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半導體芯片原理范文第1篇

回顧世界電子技術共有三次突破。第一次，1906年美國的物理學家德富列斯特研制成功世界上第一只三極電子管，第二次，1947年美國人索克雷、巴丁和布拉塔因一起發明了晶體管，以及第三次，1958年TI和仙童公司同時成功開發了世界第一塊集成電路，意味著晶體管時代的結束，IC時代的正式開始。這就是人類在20世紀電子技術領域中的三次重大突破。

半導體工業是電子工業的基礎。為什么半導體工業會有那么大的威力?因為傳統工業材料的純度大部分在99％到99.99％。可是對于半導體業，要提高到8～9個9的純度。因此半導體工業的產業鏈提高了系列工業的基礎水平。如半導體工業中，要求低缺陷、高純度、耐腐蝕，潔凈等，代表了一個國家的工業技術的基礎水平。因此，這也能解釋為什么中國原子彈、氫彈能成功，衛星能上天，而集成電路工業不能很快突破，原因就是它是工業化的基礎，需要規模批量的生產。相比之下，中國集成電路工業的基礎還很薄弱，與世界先進水平大約還有5～10年的差距。

半導體工業一定離不開摩爾定律。1965年英特爾的創始人之一戈登摩爾提出了一個猜想，通過他的實驗數據分析，得出每經過18個月，芯片上晶體管的數量可以增加一倍，相當于成本下降一半。至今晶體管的密度增加一倍可能相對容易實現，但是要保持功率密度不變，就太難了。

摩爾定律的精髓是一種激勵的機制。鼓勵行業中每個公司必須持續的進步，否則別人進步，你如果進步得慢就落后了。摩爾定律最大的好處是使工業義無反顧地追隨它，并得到實踐的證實。但是摩爾定律受到物理條件的限制，不可能無限的增加，在物理概念上總有一天會壽終正寢，但相信整個工業不會停止，還會繼續進步。半導體既然是一個產業，一定要賺錢，否則無法生存與進步。 據資料統計，平均地說，一個半導體工廠的研發費用要占銷售額的15％，每年的固定資產投資大概要占到銷售額的20％。兩項相加已經占掉35％。因此半導體企業的毛利率低于20％是很難生存。通常情況下芯片制造廠僅僅依靠運營來實現盈利是很困難的，只有每個類別中的第一、第二位還有可能。

半導體工業的評價方法

第一個是Book/Bill(B/B)，也就是訂單與銷售額之比，也可認為是未來與過去之比。銷售額是已經完成的生產代表過去，而訂單代表的是未來。因此，Book/Bill的數字大干1好，通常小于0.8，表示工業已處于危險境地。顯然如果B/B能到1.1或1.2，那就表明工業處于非常健康的狀態，訂單比完成的銷售額還多。B/B可以適用于多種情況，如目前美國的半導體設備B/B是0.84，表明設備工業已處于臨界狀態。

第二個是Inventory(庫存)，回憶世界半導體業05及06兩年的年初，影響半導體業的主要因素歸于庫存太高。半導體的庫存影響了工業的信心。因為庫存大，客戶就不下或者晚下訂單，甚至撤銷訂單。在正常情況下，半導體業的庫存是40億美元左右，差的時候增大到60億美元。

第三個是ASP(芯片的平均售價)，從07年開始影響半導體業的主要因素是存儲器，而存儲器的問題是價格下降過快，超出業界的預期。如512MDRAM在07年初時ASP為6.5美元，到07年底時已下跌到0.9美元左右，下降幅度達80％。造成世界頭號存儲器廠三星于07年的利潤下降78％，及海力士出現近6個季度來首次季度虧損。另外，如07年世界半導體業年初時多家市場調研公司都估計能增長7％～10％，年底結果僅增長3.3％，都是存儲器價格下降惹的禍。

除了上述三個參數之外，觀察半導體工業還必須結合世界經濟大環境等影響，特別是美國的經濟影響。因為美國的消費能力是中國的約9倍，如果因為高油價、次信貸危機等影響美國消費者的信心指數下降，對于世界半導體工業的影響會很大。因此，評價工業，除了看一些參數之外，還要看大的經濟環境。

世界半導體工業從技術上至今有三次重大的突破。眾所周知，第一次是1963年發明的CMOS技術，幾十年來CMOS原理上并沒有創新，至今仍是集成電路的基礎，反映半導體工業至今仍是依靠技術進步來推動，第二次是2001年時特征尺寸從180納米縮小到130納米、材料上的創新是用銅作為互連層金屬代替了延用30年之久的鋁，第三次是2007年英特爾首先采用高k介質材料及金屬柵。連戈登摩爾也坦承此項技術將摩爾定律又延伸了另一個10年。

目前半導體工業已經相對比較成熟，要轉向材料的創新及晶體管原理的創新才能推動工業的繼續進步。

半導體的技術下一步發展的趨勢，在尺寸縮小方面，不僅包括水平方面縮小，還包括垂直方面縮小，3D晶體管將呈現。在光刻技術方面，193nm浸液式、兩次曝光技術將在32納米制程時呈主流、下一代EUV技術可能要到2012年時才會可能盛行。至于450mm的硅片什么時候到來?業界估計，可能要到2012年或者2016年時才能。新材料方面，將采用低k介質材料，高k介質材料及金屬柵。芯片設計要實現功能多樣化，SoC，多核處理器是未來方向，側重在降低功耗。還有封裝技術尚有很大潛力，之前封裝成本約占芯片總制造成本的50％，現在為適應移動多媒體等市場需求，封裝的成本越來越高，如SiP，MCP等封裝成本將來可能會超過芯片制造成本。

未來的半導體，正在向其延伸工業發展。如FPD、MEMS、Solar、LED等，這些現在都很熱。表明半導體工業還會有很大的發展。

半導體工業的基本特征

第一，增長減緩。1996年到2004年大概年均增長達15％，現在下降了很多，只有7％左右。

第二，不可逆的價格下降壓力，這說明了如果要跨入這個工業，經不住價格下降的壓力，就要自動退出去。

半導體芯片原理范文第2篇

關鍵詞：半導體激光器( Laser Diode) MAX1968 溫度控制電路

中圖分類號：TN29 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416(2012)02-0119-02

Design of Laser Diode source based on MAX1968

Abstract:Considering the problem of laser source easily affected by temperature，and according to the light output characteristic of Laser Diode (LD), a new design scheme of laser source was proposed. Based on MAX1968 chip, a kind of LDtemperature control circuit was designed, which can timely monitor and control the temperature of LD, aimed at steadying LD output power. Through the actual test shows that the LD source is stable and reliable, and has great practical value.

Key words：Laser Diode (LD) MAX1968 temperature control circuit

由于體積小、功耗低、壽命長和易于調制，半導體激光器(Laser Diode)作為一種新型激光光源已廣泛應用于通訊、醫療和測量等各個領域[1]。因此半導體激光電源的可靠性、穩定性也就顯得格外重要。由于激光器的發射譜線、倍頻晶體的相位匹配等對溫度十分敏感，在對波長穩定性要求較高的場合，諸如干涉測量和光譜吸收氣體檢測待高精度測量應用中，必須對LD溫度進行精確控制[2]。溫度的變化嚴重影響著整個器件的性能，因此，溫度控制電路對整個激光器件的品質是非常關鍵的。

1、半導體激光器的輸出特性

圖1是一種典型的半導體激光器在不同溫度下的輸出功率與正向驅動電流的關系曲線。從圖中可以得出：當驅動電流小于閾值（具體大小隨不同半導體激光器不同而變化），這時的半導體激光器不能正常工作，只有當驅動電流增大到一定電流時，半導體激光器才開始正常工作而發出激光。而且半導體激光器的閾值電流受溫度的影響很大，溫度越低，相應的閾值電流越小；同理，溫度越高，閾值電流越大。在一確定溫度下，光輸出功率隨著驅動電流的增大而迅速增加，并近似呈線性上升。

同樣地，當驅動的電流為一確定值，而環境溫度改變，激光器的輸出光功率也將隨之發生變化，溫度變化范圍越大，激光器輸出功率的變化也越大。當溫度上升時，激光器輸出光功率將降低，此時為了保持激光輸出光功率穩定而增大驅動電流，最終可能因驅動電流過大而燒毀激光器。因此，對半導體激光器進行溫度控制以穩定激光器的光功率輸出是當務之急。

2、溫度控制電路

本設計中，溫度控制電路是由熱電致冷器（TEC），溫度反饋電路和熱電致冷器驅動電路組成。其中，熱電致冷器是利用Peltier效應進行制冷或加熱的半導體器件。熱電致冷器的工作原理是在TEC兩端加上直流工作電壓會使TEC的一端發熱，另一端致冷；當把熱電致冷器兩端的電壓反向則會使先前發熱端變成制冷，制冷端變成發熱端。

MAX1968作為TEC的驅動芯片，采用直接電流控制，消除了TEC中的浪涌電流。該芯片是 MAXIM 公司推出的高性價比和高效率開關型驅動器，適用于Peltier熱電制冷器模塊。MAX1968由單電源驅動，能夠提供±3 A雙極性輸出，其功能框圖如圖2所示。

MAX1968主要由兩個開關型同步降壓穩壓器組成。在兩個同步降壓穩壓器輸出端配有高效MOSFET，由LX1、LX2引出，經過LC濾波驅動TEC。兩個穩壓器同時工作產生一個差動電壓，直接控制TEC電流，實現TEC電流的雙向控制，雙極性工作避免了線性驅動所存在的“死區”問題，以及輕載電流時的非線性問題，能夠實現無“死區”溫度控制。外部控制電路的輸出電壓加在TEC電流控制輸入端CTL1，直接設置TEC電流。一般TEC+接OS2，TEC-接OS1，OS1和OS2不是功率輸出，而是用來感測通過TEC的電流，流過TEC的電流由下式確定：

式中：RSENSE為TEC電流的感應電阻；VCTL1為外部控制電路的輸出電壓；VREF為參考電壓(1.5V)。

假設正向電流為加熱，則VCTL1大于1.5 V為加熱，電流的流向從OS2到OS1，OS1、OS2、CS這3個引腳的電壓關系為：VOS2大于VOS1大于VCS，反之則制冷。通過少許加熱或制冷可避免控制系統在調整點非常接近環境工作點時的振蕩。 MAX1968采用薄型28引腳TSSOP-EP封裝，工作于-40℃到+85℃的溫度范圍。芯片還提供了一系列的保護和監測功能：TEC電壓限制功能，MAX1968為TEC提供了最大壓差控制；限制流過TEC最大的正向和反向電流，并且是獨立控制的。可根據使用的TEC在REF和GND之間通過分壓電阻，在引腳MAXIP和MAXIN端設置；ITEC為輸出，用以監測流過TEC的電流，是通過CS與OS1之間的電流感應電阻取樣，此輸出電壓與流過TEC的電流成正比。

圖3所示為半導體激光器溫度控制器的 TEC驅動電路原理圖。外部控制電路的輸出電壓加在TEC電流控制輸入端CTL1，其電路為圖4所示。熱敏電阻Rt上的電壓信號代表溫度的變化，該信號經過處理后與基準電壓比較。本設計中基準值是3v（對應的溫度值為25℃），當感知的溫度大于25℃時，傳輸給MAX1968的電壓值將小于3v，MAX1968將輸出+3v的電壓，驅動TEC制冷；當傳感器感知的溫度小于25℃時，傳輸給MAX1968的電壓值將大于3V，MAX1968將輸出-3v的電壓，驅動TEC制熱。

3、測試結果

該電路經調試并經過3h老化后 ,再對半導體激光器溫度進行測量。圖5為半導體激光器溫度控制的實驗數據。激光型號LDM3S80 Series。該器件封裝形式為常見的DIP封裝，其額定工作電流可達到100mA。實際測量實驗室的環境溫度為22.8℃，設置激光二極管的工作溫度為常溫（25℃）。

系統穩定后，從圖中曲線可以看出，激光二極管的工作溫度基本穩定在25℃左右，溫度偏差在±0.1℃內，本設計很好地控制了激光功率的穩定輸出。

4、結語

通過試驗，表明該方案具有設計簡單、實用性強、可靠性高等特點,在一定的溫度范圍內,能有效地對半導體激光器的工作溫度進行監測與控制。

參考文獻

[1]孫曉明.半導體激光干涉理論及應用[M].北京:國防工業出版社,1998,5-8.

[2]萬小平,金雷,陳瓞延,馬萬云.基于MAX1968的半導體激光溫控電路設計[J]．微計算機信息,2006,(12)．

[3]林達權.數字光纖通信設備[M].西安:西安電子科技大學出版社,1998.

半導體芯片原理范文第3篇

作為全球最大閃存廠商之一，三星近日對外宣布他們開發了一種不需要增大芯片面積，卻能使數據存儲容量達到以前2倍的新型閃存。這種新型閃存的設計原理是使用單晶硅（一種比較活潑的非金屬元素，摻入磷可制成半導體）的堆疊來制造一種3D立體結構的芯片，從而制造出基于8層硅片結構的、容量為兆兆的閃存芯片。三星電子半導體業務部總裁兼CEO黃昌圭說：“隨著3D制造技術的發展，閃存時代的大門將被開啟。預計到2010年，閃存將全面取代硬盤，成為迷你筆記本電腦的主流配置。它還將圍繞著信息技術、生物技術、納米技術等為新的半導體工業創造極大的機會及動力。”

制程極限催生閃存制造新工藝

同微處理器一樣，隨著納米技術的飛速發展，閃存的制程工藝也在不斷進步。在體積減小的同時，產能卻突飛猛進，三星于2006年10月實現量產的60nm產品就比之前的70nm產品在產能方面提高了25%。然而業內人士估計，由于芯片本身的物理極限，若仍然使用現有印刷技術，這種芯片體積持續縮小的趨勢只能維持到2009年。三星研發人員姜滿榮預言說，當半導體工藝技術低于30nm時，存儲單元的電荷將開始變弱，數據將會丟失。于是，三星的研發人員開始尋找其他的既能使用現行的制程技術，又能增加閃存容量的方法，3D工藝應運而生。

挑戰一 減小堆疊占用面積

研發人員用一種高質量的單晶硅襯底作為第一層存儲單元，而在這一層的基礎之上，又堆疊了同樣由單晶硅構成的第二層。本質上來講，單層閃存（2D平面結構）就像一個停車場，存儲單元存儲的電子就像停車場里停放的汽車，而加上一層硅晶使數據容量增大就像兩層的停車場能夠停更多車輛一樣。但利用3D堆疊工藝來增加存儲容量仍然有一個亟待解決的問題，美國加州大學伯克利分校電子工程教授維沃克?蘇伯拉曼尼安指出，這種方法必定使基層上被蓋住的閃存無法用于存儲。三星面臨的挑戰就是將理論上那部分被蓋住的面積降至最小，就如同在停車場中減少用來支撐第二層的圓柱的占用面積一樣。

挑戰二 多層硅晶協調工作

三星面臨的另一個挑戰是，如何使兩層硅晶協調工作？由于第二層硅晶的電子特性，每次只能有一個存儲單元被電擦除，而第一層的存儲單元卻可以實現大面積的電擦除。實驗數據表明，第二層存儲單元擦除相同數量數據所需要的時間是第一層的32倍。姜滿榮說，后來開發者們將第二層硅晶接地，以此來保證第二層存儲單元同第一層在擦除數據方面的速度同步。

成本高、工藝難，新技術仍需改進

半導體芯片原理范文第4篇

關鍵詞：高效能制；LED；散熱

中圖分類號：TP635 文獻標識碼：A

在我國，以LED為核心的新能源、新光源照明產業正在加速發展，其動力主要來自兩方面，一是政府政策的支持和推動逐漸增強，二是企業看重這一市場機遇加大投入。而行業內專業、高端展會的誕生，更是推波助瀾地將LED照明產業推上新的發展高度。在反映整個新光源與新能源照明行業的最新發展趨勢、狀態及問題所在的同時，更將集中展示技術、產品及應用。近年來，LED技術進步和產業提升得到了迅猛發展，[1]LED外延、芯片、封裝、驅動電路以及顯示應用、照明控制等相關技術的發展非常快，產品性價比提升明顯，這給LED照明從可能變為現實帶來無限的希望。目前，我國LED產業與國際一流水平相比差距并不大，而且中國具有自主知識產權的單元技術已經顯現，中國在LED外延材料、芯片制造、器件封裝、熒光粉等方面均已顯現具有自主技術產權的單元技術，部分核心技術具有原創性，為中國LED產業做大做強在一定程度上奠定了基礎。

一、 LED概念及發光原理

LED（Light Emitting Diode）稱為發光二極管，是新型高效固體光源，具有節能、環保和壽命長等顯著優點。它的主體是一塊電致發光的半導體材料，在它兩端加上正向電壓，電流會從LED陽極流向陰極，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，電流越強，發光越強。LED發光原理不同于傳統UHE、UHP燈泡，它在發光過程中不會產生大量熱量，因此壽命都可以達到60000小時以上。半導體照明同樣亮度下耗電僅為普通白熾燈的 1/10 ，節能燈的 1/2 ，使用壽命卻可能延長 100 倍。自 2003 年以來，[2]在“國家半導體照明工程”的組織實施過程中，國內的相關企業、研發機構和大學圍繞寬禁帶半導體材料、大功率 LED 器件、封裝、配套原材料、重大裝備等方面開展研發，攻克了一系列半導體照明的關鍵技術，取得了顯著進展。但半導體白光照明技術還遠不成熟，還有一系列的科學、技術問題有待解決， 特別是在產品的質量穩定性和可靠性上，還有待提高。

由 PN 結芯片、電極和光學系統三個主要部分組成了發光二極管。晶片（發光體）的面積為 10.12mil （ 1mil=0.0254 平方毫米），國際上目前生產的大晶片 LED面積可達 40mil 。發光二極管發光過程為正向偏壓下的載流子注入、[3]光能傳輸和復合輻射三部分。在潔凈的環氧樹脂物中封裝了微小的半導體晶片，帶負電的電子通過該晶片，移動到帶正電的空穴區域，電子和空穴復合并同時消失，形成光子。光子的能量產生的多少由電子和空穴之間的能量（帶隙）決定，能量（帶隙）越大，光子的能量就越高。不同的材料帶隙不同，光子的能量與光的顏色對應，就會發出不同顏色的光，光譜中，紅色光、桔色光具有的能量最少，紫色光、藍色光具有的能量最多。

高亮度的白光 LED將成為LED 照明光源的主流。商品化的白光 LED目前是以藍光單晶片混合YAG 黃色熒光粉產生白光，即多是二波長。未來較被看好的是三波長白光 LED ，即以無機紫外光晶片加紅、藍、綠三顏色熒光粉混合產生白光，它會取代LED 背光源、熒光燈緊湊型節能及熒光燈泡等市場。

LED是一種半導體元器件（如圖1），核心是 p型及n型半導體組成的芯片。[4]在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。當注入p-n結的載流子數量足夠多，就可以實現把電能轉換為光能的效果。一般的低功率LED產品擁有能耗低、體積小、反應時間快、有多種光顏色輸出、產品壽命長和不含對環境有害的汞等優點。

圖1： LED半導體元器件結構圖

雖然發光管是冷光源，但LED的光效偏低，在高光效/發光效率（每瓦流明或lm/W）LED燈具應用上需要輸入大量的電能來轉換成光能。大電流在半導體材料上會產生傳導性電阻熱，加上半導體材料制作的LED不耐高溫，導致過熱使LED燈的光輸出率及壽命大幅降低。

二、發揮高效能、環保的照明效益散熱設計是一大關鍵

LED元件的核心設計，即是由一片LED晶粒[5]利用加諸電壓使其產生發光結果，而與一般矽晶片類似，LED晶片也會因為長時間使用而產生光衰現象，[6]多數設計方案為了提升元件發光亮度，多利用增加晶體的偏壓，即提升加諸于LED的電能功率，讓晶片能夠激發出更高的亮度，如此一來，加強LED功率也會使得晶體的光衰問題、壽命問題加速出現，甚至元件本身因強化亮度而產生的高溫，也會造成產品壽命的縮短。

當單顆LED晶粒隨著亮度提升，[7]單顆LED功耗瓦數也會由0.1W提高至1、3、甚至5W以上，而多數的LED光源模組實測分析，也會出現封裝模組的熱阻抗因增加發光效能而提升，一般會由250K/W至350K/W上下持續增加幅度。而檢視測試結果會發現，LED也會有隨著“功率”增加、“使用壽命”減少的現象，[8]會讓原本可能具有20，000小時使用壽命的LED光源元件，因為散熱影響，而降低到僅剩1，000小時的使用壽命。當元件在攝氏50度的運作溫度下，均能維持最佳的20，000小時壽命，[9]但當LED元件運行于攝氏70度的環境，平均壽命則降至10，000小時，若持續在攝氏100度環境下運行，壽命會僅剩5，000小時。市場上的 LED 光源良秀不齊，許多公司宣稱其半導體光源連續使用壽命為 10 萬小時，但產品實際可用壽命許多不到 5000 小時，最短的不到 100 小時，[10]整個 LED 產業在市場上的信譽受對極大的影響。另一方面，半導體光源的用戶無法選購到可靠的產品，缺少對 LED 產品的質量可靠性及穩定性的有效檢測手段，直到客戶遭受巨額損失，使用失敗后退貨。業界要為產業的進一步高速發展奠定基礎，必須有一個相對統一的產品質量與可靠性的測試及規范標準。

國際上 CIE 等相關機構鑒于 LED 產業的迅猛發展，還未能制定一個統一的規范，多由各公司自行測試和規定，主要包括高溫，常溫，低溫老化實驗，高溫高濕老化實驗，冷熱沖擊實驗，機械撞擊，靜電放電實驗，震動實驗，焊接實驗，鹽舞實驗等若干項。國內 LED 光源用戶一般也是用該室溫老化實驗來驗證供應商的產品質量和可靠性，好的公司則有做 1000 小時室溫老化實驗。由于 LED 光源的使用壽命要求是 1 萬至 10 萬小時（約 1 年至 11 年），用戶很難有時間用常溫老化法求證。LED 光源的壽命高溫下會大大縮短，[11]LED 光源的壽命 t 和溫度呈指數關系，

t=t 0 *exp（- D E/kT）

因此高溫加速老化實驗是更快速嚴格的可靠性測試方法。 85 度下 LED 光源壽命比常溫將會縮短約 20 倍。 國內許多廠家的劣質產品則在 24 至 100 小時內迅速老化， 該實驗成為檢驗產品質量的一個快速試金石。

功率型LED會受熱量影響： （1）熱量集中于尺寸很小的芯片里，芯片的發光效率因結區溫度升高而降低，芯片周圍熒光粉的激射效率的降低，使器件的光學性能受到嚴重影響，且器件的穩定性和壽命也容易受熱應力的非均勻分布而降低；（2）白光照明系統中多個LED 是密集排列的，高熱阻會因模塊間相互影響導致器件失效。從而，功率型LED的散熱成為重要研究課題。

三、LED模組設計的熱阻抗現況

除了關鍵元件LED易受溫度影響外，模組化概念開發也多[12]半被采取在光源設計中，甚至為了取代傳統光源，讓電子電路和發光元件只能在非常小的空間內整合，因為LED為DC直流驅動元件，多數燈具的連接電源為AC交流電源為主，目前的主流做法為了簡化LED光源的施作復雜度，是直接將電源整流、LED發光元件和變壓模組進行整合，可面臨的問題是，可用的電路空間相對小很多，較佳的散熱效果在裝置內對流空間相對變小的情況下，自然也無法得到實現，模組的散熱處理只能透過主動式強制散熱的相關對策。

若由熱阻抗模組觀察所制作而成的熱流模型，進行LED[13]晶粒預測接合點的溫度，接合點意指半導體的pn接合處，定義熱阻抗R為溫度差異與對應之功率消散比值，而熱阻抗的形成因素相當多，但透過熱流模型的檢視方式，可以更清楚確認，熱的散逸處理方面，是因為哪些關鍵問題而降低其效率，散熱改善工程可從元件、組裝方式、結構、基板材質進行。并可以從幾個關鍵處來檢視一般LED固態光源的熱流模型。

圖2：高照明效果的天花板燈，其LED需高功率驅動發光，因此整合的電源模塊、散熱模塊成本也會較高

例如，LED發光元件可以拆解為LED晶粒、封裝的塑料、晶粒與接腳的打線，擴及LED光源模組再觀察，即會有LED元件、Metal Core PCB （MCPCB）電路板、接合的金屬接腳、最后為散熱的鋁擠型散熱片等構成，而熱流模型可以觀察有幾個串聯的熱流阻抗，例如結合點、電路板與環境、乘載晶粒的金屬片等，再檢視串聯阻抗的熱回路，試圖去發現散熱效率低下的問題癥結點。再深入觀察模型發現，從晶粒的接合點到整個外部環境的散熱過程，其實是由幾個散熱途徑去加總而成，例如，晶粒與乘載金屬片的材料特性、LED元件的表面接觸或是介于散熱用之鋁擠型散熱鰭片黏膠、電路板材料熱阻特性和封裝LED晶粒材料的光學樹脂接觸，乃至降溫裝置與空氣間的組合等，構成整個熱流的散熱過程。

四、LED固態光源的散熱改善方式

LED固態光源的運作溫度如何有效散逸，會影響整個光源應用的照明效能、裝置壽命、能源利用效能等重要關鍵，而改善散熱的方式可自晶片層級的技術、電路板層級的技術、封裝LED晶粒的技術去改善。

由于傳統的晶片制法，在晶片層級的散熱處理方面，多以藍寶石作為基板進行設計，而藍寶石基板的熱傳導系數接近20W/mK，其實很難將LED[14]磊晶產生的熱快速散出，在針對LED晶片級的散熱強化處理，尤其是針對高亮度、高功率的LED元件方面，目前主流的作法，是有效利用覆晶將磊晶的熱傳導出來，即使用覆晶（Flip-Chip）的形式。

另外的方式，因LED元件上下兩端都設有金屬電極，可采行“垂直”電極的方式去制作LED元件，此可在散熱的問題上得到更大的助益。 例如， GaN基板為導電材質，采用GaN基板作為材料，基板下方可直接做電極進行連接，即可得到快速散逸磊晶溫度的效益，但這種作法會比傳統藍寶石基板作法的成本貴上許多，因為材料成本較高，元件的制作成本亦會增加。

對封裝層級的散熱強化作法， LED制作過程，整個LED可利用光學等級的環氧樹脂來包住，增大LED元件機械強度，保護元件內的相關線路，但環氧樹脂的作法雖可提升元件強度，卻同時限制了元件的溫度操作范圍，因為高溫下使用光學級的環氧樹脂，會因強光或高溫，讓環氧樹脂的材質本身和光學特性劣化。

圖3：亮度強化的燈具，局部高溫問題也會加劇，必須搭配更強力的主動散熱技術因應。

芯片層面減少管芯熱阻是LED 器件的熱量處理方法外，對封裝而言，降低封裝后器件的熱阻應設計合理熱沉、采用高熱導率的封裝材料、采用多芯片封裝、優化驅動電源等，使器件性能提高。非成像光學是針對LED 封裝的光學研究。半導體照明光源應用的重要研究內容就是利用非成像光學設計，滿足特定要求的LED 光學系統。

目前封裝改善方式，傳統的炮彈式封裝技術僅在多數中低功率的LED元件中才使用，對于高功率、高亮度的LED元件，多改用Lumileds Luxeon系列封裝法，將散熱路徑集中于下方的金屬，內部的封裝改用光學特性和耐高溫、耐強光表現較優異的矽樹脂去進行封裝，此封裝法可獲得較佳的機械強度表現，同時其內部對高溫、高強度藍光LED、紫外線照射有更強大的耐受能力。

以下是封裝光學設計實例在投射照明系統中的應用。投射照明系統的光源要有準直、高效的遠場分布。若通過LED 光源與附加準直透鏡相結合實現準直光場分布，即采用二次光學元件，不但系統體積增加，且LED和二次元件間會存有空氣隙，出現額外的反射損耗。LED 芯片封裝時的樹脂透鏡需重新設計，確保LED 在封裝的同時實現準直：準直透鏡的二維、三維模型首先采用編程方式計算，其光場分布利用蒙特卡羅方法計算，設計模型利用計算結果修正，相應的準直透鏡待符合要求后制作。比較采用傳統二次元件系統的光場分布及利用直接準直LED 光源的光場分布，該準直透鏡的亮度半高全角的理論值為9.8°，實測值為12.8°，其出光效率為90%。準直LED 光源陣列的應用效果已實現。強調說明，此封裝結構能簡單組合構成大面積陣列，具有很強的可擴展性，滿足不同的應用需求。

LED 的封裝問題，除光學封裝設計、熱學處理外，值得探討與研究的相關技術還有高熱導率低損耗封裝樹脂材料、穩定有效驅動電源模塊、新型高轉換效率熒光粉材料等。因傳統光源和LED 光源形貌上差別很大，如何在外觀上為市場接受，也成為封裝需解決的技術問題。

電路板層級的散熱改善，熱傳導性能中上表現的一般會采取[15]金屬基FR4（PCB） ）制作，如Integrated Metal Substrate（IMS） 、MCPCB處理，進階高效能熱傳導能力的會采取陶瓷基板（Ceramic）去制作。

FR4（PCB） 優勢為低成本，可導熱效能相對較差，多用于低功率的LED裝載方面。 金屬基PCB（IMS、MCPCB）因操作溫度高，例如MCPCB結構由銅箔層、鋁基板、絕緣（介電）層構成，一般銅箔層（電路）為1.0～4.0盎司、鋁基板（金屬核心）層厚度在1mm～3.2mm、絕緣（介電）層為7.5um～150um左右厚度，可用在攝氏140度環境下，為中高價位的制作成本。 陶瓷基板（Ceramic）的成本和單價更高，因為陶瓷可讓乘載的晶片更為匹配，其熱膨脹系數表現佳，但無法用在大面積的電路，對于LED光源應用面，多數僅用于承載LED元件的區塊電路使用，來提升熱傳導效率。

除前述常見乘載的電路板外，其實還有相對多款具較佳熱傳導技術的基板技術，例如陶瓷基板（氧化鋁）、軟式印刷電路板、鋁鎂合金、金屬基復合材料基板、直接鋼接合基板（DBC）等技術，但部分技術仍有制程、成本或裝載方面的考量，必須視最終成品的實際熱流模型限制與改善幅度是否值得更換載板而定。

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半導體芯片原理范文第5篇

關鍵詞：半導體制冷片；單片機；Ds18B20

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0231-02

Realization of the Water Cooler Water Temperature Control System Based on 51 Single Chip Microcomputer

ZHANG Ming-yuan1，MA Wan-guo2，MA Jia-jia2

（1.Nanjing 29 Middle School， Nanjing 210000， China； 2.Hohai university Wen Tian College， Maanshan 243000， China） Abstract： STC89C52 single-chip microcomputer as the core， Implement water dispenser water cooling ，this system mainly includes the DS18B20 temperature acquisition， button operation， single-chip microcomputer control， relay drivers， refrigeration， such as digital tube digital display part. This system through information interaction of temperature setting， control and display.

Key words： Semiconductor refrigeration piece； MCU； Ds18B20

1 硬件電路設計

1.1 控制系統方框圖

本系統中溫度的恒溫控制采用STC89C52單片機為核心控制器件，實現對水溫在的自動控制。由精密的數字溫度傳感器Ds18B20構成前置信號采集和調理電路，由制冷片TEC1_12706和繼電器實現溫度的控制，由LED數碼管構成4位動態顯示用于顯示實時溫度值。控制系統方框圖如圖1所示。

1.2 控制系統原理圖

Ds18B20作為溫度傳感器測得水溫，傳送給單片機芯片STC89C52，4位LED數碼管與單片機芯片相連，通過手動設置溫度（上電默認18℃），將所測溫度與手動設置溫度相比較，若所測溫度在手動設置溫度±1?C范圍內，則繼電器不發生動作，制冷片狀態不變，繼續工作。當所測溫度≥18℃時，繼電器動作，制冷片變為制冷狀態，當溫度降到17℃時，繼電器停止動作，制冷片處于不工作狀態，當溫度升到19℃時，制冷片繼續工作。控制系統原理圖如圖2所示。

2 硬件電路元件

2.1 主控單元

本系統主控單元采用我國宏晶公司生產的低功耗、高性能八位微控制器，具有 8K字節系統可編程Flash存儲器。它使用經典的MCS-51內核，并且做了很多性能的改進，提高了傳統C51芯片的功能功能。比如擁有八位CPU 和在線系統可編程芯片，許多嵌入式控制應用系統通過STC89C52可獲得靈活和有效的解決方案。STC89C52RC內置4 KB的 EEPROM，MAX810復位電路，內部包含 8 k字節Flash，512字節的內存，32個I / O端口線，三個16位定時器/計數器，4個外部中斷，8向量4級中斷結構（5向量2級中斷結構與傳統51兼容）， 看門狗定時器，全雙工串行端口。STC89C52支持兩種類型的軟件可以選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作允許內存，定時器/計數器，串行端口繼 續工作。掉電保護時，RAM的內容保存，振蕩 器是被凍結的，單片機停止所有工作，直到下一個中斷或硬件復位。

2.2 制冷單元

制冷部分選用的是TEC1_12706半導體制冷片，半導體制冷片通電時一面制冷，另一面制熱。但是半導體自身存在電阻當電流經過半導體時就會產生熱量，而且兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞，所以半導體制冷片的制熱效率要高于制冷效率，當冷熱兩端達到一定的溫差，這兩種熱傳遞就會達到一個平衡點。此時冷熱端的溫度就不會繼續發生變化。為了達到更低的溫度，可以采取散熱的方式，使熱端的溫度降低從而使得冷端達到更低的溫度，本系統使用風冷散熱器給制冷片散熱。

半導體制冷片不需要使用制冷劑，可長時間工作，不會產生對環境有害的物質，是一種固體片器件，工作時不會產生噪音，使用壽命長，安裝簡單，通過對輸入電流的精確控制，可實現高精度的溫度控制，便于組成控溫系統。

2.3 顯示單元

本設計的顯示屏選擇的是LED數碼管，也叫七段數碼管，它是在一個長方形的外觀內封裝了八個固定形狀的發光二極管，并將引線在內部連接，組成共陰級或共陽極的器件，在使用時點亮相應的段就可以顯示需要的字符，其可以顯示0-9和A-F的十六個字符，適用于對顯示內容要求不高的場合，系統中只需要顯示煎蛋的溫度，故采用4位數碼管作為顯示器件。

在使用時，LED數碼管段選信號選擇與51單片機的P0口（即P0.0-P0.7）相連，由于P0口的輸出電路為漏極開路輸出，所以用P0口作為I/O通用輸出口使用時，需要在八個引腳接10K左右的上拉電阻。單片機P2口的P2.0～P2.3作為數碼管的輸入口與LED數碼管的位選信號對應相連，控制對應數碼管的顯示。

2.4 溫度檢測單元

本系統溫度檢測單元采用的是Ds18B20芯片通過達拉斯公司的單總線協議依靠一個單線端口通訊，當全部器件經由一個三態端口或者漏極開路端口與總線連接時，控制線需要連接一個弱上拉電阻。在多只Ds18B20連接時，每個Ds18B20都擁有一個全球唯一的64位序列號，在這個總線系統中，微處理器依靠每個器件獨有的64位片序列號辨認總線上的器件和記錄總線上的器件地址，從而允許多只Ds18B20同時連接在一條單線總線上，因此，可以很輕松地利用一個微處理器去控制很多分布在不同區域的Ds18B20。

在由Ds18B20芯片構建的溫度檢測系統中，采用達拉斯公司獨特的單總線數據通訊方式，允許在一條總線上掛載多個Ds18B20，那么，在對Ds18B20的操作和控制中，由總線控制器發出的時隙信號就顯得尤為重要。在系統編程時，一定要嚴格參照時隙圖中的時間數據，做到精確的把握總線電平隨時間（微秒級）的變化，才能夠順利地控制和操作Ds18B20。另外，需要注意到不同單片機的機器周期是不盡相同的，所以，程序中的延時函數并不是完全一樣，要根據單片機不同的機器周期有所改動。在平常的Ds18B20程序調試中，若發現諸如溫度顯示錯誤等故障，基本上都是由于時隙的誤差較大甚至時隙錯誤導致的，在對Ds18B20編程時需要格外注意。

2.5 繼電器驅動單元

ULN2003內部是達林頓管結構，進行電流放大。最高電壓50V，最大電流500mA，一般用來驅動繼電器、步進電機。內部是三極管，在輸入低電平時，輸出就是高電平，相當于非門。ULN2003是7個通道的。單片機引腳輸出的電流很小，不足以驅動繼電器，所以采用ULN2003對電流進行放大，是大功率高速集成電路。繼電器關斷瞬間會產生反電勢，ULN2003內部集成了二極管，因此可用來驅動繼電器。ULN2003的9號引腳應該接負載電源，這樣才能形成續流回路，ULN2003內部的二極管才能達到保護的作用。

3 系統軟件設計

圖3為本系統的部分軟件程序流程圖。它是按照系統運行思路所畫的。首先系統初始化，然后Ds18B20檢測溫度，將溫度傳給單片機，單片機再通過程序將溫度送入數碼管顯示出來，同時溫度數碼管所測的溫度與程序所設定的溫度進行比較，若所測溫度大于設定溫度，繼電器發生動作，制冷片制冷；若所測溫度在低于設定值，繼電器不發

生動作，制冷片維持原狀態。

4 總結

本系統實現了飲水機水溫控制，通過手動設置溫度（上電默認18℃），當Ds18B20所測水溫≥18℃時，繼電器動作，制冷片進入制冷狀態，當水溫降到17℃時，繼電器動作，制冷片停止制冷，且水溫從17℃升到19℃期間，制冷片維持原有狀態，當飲水機水溫高于19℃時，制冷片繼續制冷。

通過本系統的設計與制作，使我對一些芯片有了一定的了解和鞏固，對它們的功能有了一定的熟悉和掌握，提高了程序編寫的能力同時鍛煉了自己的動手能力。

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