半导体芯片原理

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半导体芯片原理范文第1篇

回顾世界电子技术共有三次突破。第一次，1906年美国的物理学家德富列斯特研制成功世界上第一只三极电子管，第二次，1947年美国人索克雷、巴丁和布拉塔因一起发明了晶体管，以及第三次，1958年TI和仙童公司同时成功开发了世界第一块集成电路，意味着晶体管时代的结束，IC时代的正式开始。这就是人类在20世纪电子技术领域中的三次重大突破。

半导体工业是电子工业的基础。为什么半导体工业会有那么大的威力?因为传统工业材料的纯度大部分在99％到99.99％。可是对于半导体业，要提高到8～9个9的纯度。因此半导体工业的产业链提高了系列工业的基础水平。如半导体工业中，要求低缺陷、高纯度、耐腐蚀，洁净等，代表了一个国家的工业技术的基础水平。因此，这也能解释为什么中国原子弹、氢弹能成功，卫星能上天，而集成电路工业不能很快突破，原因就是它是工业化的基础，需要规模批量的生产。相比之下，中国集成电路工业的基础还很薄弱，与世界先进水平大约还有5～10年的差距。

半导体工业一定离不开摩尔定律。1965年英特尔的创始人之一戈登摩尔提出了一个猜想，通过他的实验数据分析，得出每经过18个月，芯片上晶体管的数量可以增加一倍，相当于成本下降一半。至今晶体管的密度增加一倍可能相对容易实现，但是要保持功率密度不变，就太难了。

摩尔定律的精髓是一种激励的机制。鼓励行业中每个公司必须持续的进步，否则别人进步，你如果进步得慢就落后了。摩尔定律最大的好处是使工业义无反顾地追随它，并得到实践的证实。但是摩尔定律受到物理条件的限制，不可能无限的增加，在物理概念上总有一天会寿终正寝，但相信整个工业不会停止，还会继续进步。半导体既然是一个产业，一定要赚钱，否则无法生存与进步。 据资料统计，平均地说，一个半导体工厂的研发费用要占销售额的15％，每年的固定资产投资大概要占到销售额的20％。两项相加已经占掉35％。因此半导体企业的毛利率低于20％是很难生存。通常情况下芯片制造厂仅仅依靠运营来实现盈利是很困难的，只有每个类别中的第一、第二位还有可能。

半导体工业的评价方法

第一个是Book/Bill(B/B)，也就是订单与销售额之比，也可认为是未来与过去之比。销售额是已经完成的生产代表过去，而订单代表的是未来。因此，Book/Bill的数字大干1好，通常小于0.8，表示工业已处于危险境地。显然如果B/B能到1.1或1.2，那就表明工业处于非常健康的状态，订单比完成的销售额还多。B/B可以适用于多种情况，如目前美国的半导体设备B/B是0.84，表明设备工业已处于临界状态。

第二个是Inventory(库存)，回忆世界半导体业05及06两年的年初，影响半导体业的主要因素归于库存太高。半导体的库存影响了工业的信心。因为库存大，客户就不下或者晚下订单，甚至撤销订单。在正常情况下，半导体业的库存是40亿美元左右，差的时候增大到60亿美元。

第三个是ASP(芯片的平均售价)，从07年开始影响半导体业的主要因素是存储器，而存储器的问题是价格下降过快，超出业界的预期。如512MDRAM在07年初时ASP为6.5美元，到07年底时已下跌到0.9美元左右，下降幅度达80％。造成世界头号存储器厂三星于07年的利润下降78％，及海力士出现近6个季度来首次季度亏损。另外，如07年世界半导体业年初时多家市场调研公司都估计能增长7％～10％，年底结果仅增长3.3％，都是存储器价格下降惹的祸。

除了上述三个参数之外，观察半导体工业还必须结合世界经济大环境等影响，特别是美国的经济影响。因为美国的消费能力是中国的约9倍，如果因为高油价、次信贷危机等影响美国消费者的信心指数下降，对于世界半导体工业的影响会很大。因此，评价工业，除了看一些参数之外，还要看大的经济环境。

世界半导体工业从技术上至今有三次重大的突破。众所周知，第一次是1963年发明的CMOS技术，几十年来CMOS原理上并没有创新，至今仍是集成电路的基础，反映半导体工业至今仍是依靠技术进步来推动，第二次是2001年时特征尺寸从180纳米缩小到130纳米、材料上的创新是用铜作为互连层金属代替了延用30年之久的铝，第三次是2007年英特尔首先采用高k介质材料及金属栅。连戈登摩尔也坦承此项技术将摩尔定律又延伸了另一个10年。

目前半导体工业已经相对比较成熟，要转向材料的创新及晶体管原理的创新才能推动工业的继续进步。

半导体的技术下一步发展的趋势，在尺寸缩小方面，不仅包括水平方面缩小，还包括垂直方面缩小，3D晶体管将呈现。在光刻技术方面，193nm浸液式、两次曝光技术将在32纳米制程时呈主流、下一代EUV技术可能要到2012年时才会可能盛行。至于450mm的硅片什么时候到来?业界估计，可能要到2012年或者2016年时才能。新材料方面，将采用低k介质材料，高k介质材料及金属栅。芯片设计要实现功能多样化，SoC，多核处理器是未来方向，侧重在降低功耗。还有封装技术尚有很大潜力，之前封装成本约占芯片总制造成本的50％，现在为适应移动多媒体等市场需求，封装的成本越来越高，如SiP，MCP等封装成本将来可能会超过芯片制造成本。

未来的半导体，正在向其延伸工业发展。如FPD、MEMS、Solar、LED等，这些现在都很热。表明半导体工业还会有很大的发展。

半导体工业的基本特征

第一，增长减缓。1996年到2004年大概年均增长达15％，现在下降了很多，只有7％左右。

第二，不可逆的价格下降压力，这说明了如果要跨入这个工业，经不住价格下降的压力，就要自动退出去。

半导体芯片原理范文第2篇

关键词：半导体激光器( Laser Diode) MAX1968 温度控制电路

中图分类号：TN29 文献标识码：A 文章编号：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

由于体积小、功耗低、寿命长和易于调制，半导体激光器(Laser Diode)作为一种新型激光光源已广泛应用于通讯、医疗和测量等各个领域[1]。因此半导体激光电源的可靠性、稳定性也就显得格外重要。由于激光器的发射谱线、倍频晶体的相位匹配等对温度十分敏感，在对波长稳定性要求较高的场合，诸如干涉测量和光谱吸收气体检测待高精度测量应用中，必须对LD温度进行精确控制[2]。温度的变化严重影响着整个器件的性能，因此，温度控制电路对整个激光器件的品质是非常关键的。

1、半导体激光器的输出特性

图1是一种典型的半导体激光器在不同温度下的输出功率与正向驱动电流的关系曲线。从图中可以得出：当驱动电流小于阈值（具体大小随不同半导体激光器不同而变化），这时的半导体激光器不能正常工作，只有当驱动电流增大到一定电流时，半导体激光器才开始正常工作而发出激光。而且半导体激光器的阈值电流受温度的影响很大，温度越低，相应的阈值电流越小；同理，温度越高，阈值电流越大。在一确定温度下，光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加，并近似呈线性上升。

同样地，当驱动的电流为一确定值，而环境温度改变，激光器的输出光功率也将随之发生变化，温度变化范围越大，激光器输出功率的变化也越大。当温度上升时，激光器输出光功率将降低，此时为了保持激光输出光功率稳定而增大驱动电流，最终可能因驱动电流过大而烧毁激光器。因此，对半导体激光器进行温度控制以稳定激光器的光功率输出是当务之急。

2、温度控制电路

本设计中，温度控制电路是由热电致冷器（TEC），温度反馈电路和热电致冷器驱动电路组成。其中，热电致冷器是利用Peltier效应进行制冷或加热的半导体器件。热电致冷器的工作原理是在TEC两端加上直流工作电压会使TEC的一端发热，另一端致冷；当把热电致冷器两端的电压反向则会使先前发热端变成制冷，制冷端变成发热端。

MAX1968作为TEC的驱动芯片，采用直接电流控制，消除了TEC中的浪涌电流。该芯片是 MAXIM 公司推出的高性价比和高效率开关型驱动器，适用于Peltier热电制冷器模块。MAX1968由单电源驱动，能够提供±3 A双极性输出，其功能框图如图2所示。

MAX1968主要由两个开关型同步降压稳压器组成。在两个同步降压稳压器输出端配有高效MOSFET，由LX1、LX2引出，经过LC滤波驱动TEC。两个稳压器同时工作产生一个差动电压，直接控制TEC电流，实现TEC电流的双向控制，双极性工作避免了线性驱动所存在的“死区”问题，以及轻载电流时的非线性问题，能够实现无“死区”温度控制。外部控制电路的输出电压加在TEC电流控制输入端CTL1，直接设置TEC电流。一般TEC+接OS2，TEC-接OS1，OS1和OS2不是功率输出，而是用来感测通过TEC的电流，流过TEC的电流由下式确定：

式中：RSENSE为TEC电流的感应电阻；VCTL1为外部控制电路的输出电压；VREF为参考电压(1.5V)。

假设正向电流为加热，则VCTL1大于1.5 V为加热，电流的流向从OS2到OS1，OS1、OS2、CS这3个引脚的电压关系为：VOS2大于VOS1大于VCS，反之则制冷。通过少许加热或制冷可避免控制系统在调整点非常接近环境工作点时的振荡。 MAX1968采用薄型28引脚TSSOP-EP封装，工作于-40℃到+85℃的温度范围。芯片还提供了一系列的保护和监测功能：TEC电压限制功能，MAX1968为TEC提供了最大压差控制；限制流过TEC最大的正向和反向电流，并且是独立控制的。可根据使用的TEC在REF和GND之间通过分压电阻，在引脚MAXIP和MAXIN端设置；ITEC为输出，用以监测流过TEC的电流，是通过CS与OS1之间的电流感应电阻取样，此输出电压与流过TEC的电流成正比。

图3所示为半导体激光器温度控制器的 TEC驱动电路原理图。外部控制电路的输出电压加在TEC电流控制输入端CTL1，其电路为图4所示。热敏电阻Rt上的电压信号代表温度的变化，该信号经过处理后与基准电压比较。本设计中基准值是3v（对应的温度值为25℃），当感知的温度大于25℃时，传输给MAX1968的电压值将小于3v，MAX1968将输出+3v的电压，驱动TEC制冷；当传感器感知的温度小于25℃时，传输给MAX1968的电压值将大于3V，MAX1968将输出-3v的电压，驱动TEC制热。

3、测试结果

该电路经调试并经过3h老化后 ,再对半导体激光器温度进行测量。图5为半导体激光器温度控制的实验数据。激光型号LDM3S80 Series。该器件封装形式为常见的DIP封装，其额定工作电流可达到100mA。实际测量实验室的环境温度为22.8℃，设置激光二极管的工作温度为常温（25℃）。

系统稳定后，从图中曲线可以看出，激光二极管的工作温度基本稳定在25℃左右，温度偏差在±0.1℃内，本设计很好地控制了激光功率的稳定输出。

4、结语

通过试验，表明该方案具有设计简单、实用性强、可靠性高等特点,在一定的温度范围内,能有效地对半导体激光器的工作温度进行监测与控制。

参考文献

[1]孙晓明.半导体激光干涉理论及应用[M].北京:国防工业出版社,1998,5-8.

[2]万小平,金雷,陈瓞延,马万云.基于MAX1968的半导体激光温控电路设计[J]．微计算机信息,2006,(12)．

[3]林达权.数字光纤通信设备[M].西安:西安电子科技大学出版社,1998.

半导体芯片原理范文第3篇

作为全球最大闪存厂商之一，三星近日对外宣布他们开发了一种不需要增大芯片面积，却能使数据存储容量达到以前2倍的新型闪存。这种新型闪存的设计原理是使用单晶硅（一种比较活泼的非金属元素，掺入磷可制成半导体）的堆叠来制造一种3D立体结构的芯片，从而制造出基于8层硅片结构的、容量为兆兆的闪存芯片。三星电子半导体业务部总裁兼CEO黄昌圭说：“随着3D制造技术的发展，闪存时代的大门将被开启。预计到2010年，闪存将全面取代硬盘，成为迷你笔记本电脑的主流配置。它还将围绕着信息技术、生物技术、纳米技术等为新的半导体工业创造极大的机会及动力。”

制程极限催生闪存制造新工艺

同微处理器一样，随着纳米技术的飞速发展，闪存的制程工艺也在不断进步。在体积减小的同时，产能却突飞猛进，三星于2006年10月实现量产的60nm产品就比之前的70nm产品在产能方面提高了25%。然而业内人士估计，由于芯片本身的物理极限，若仍然使用现有印刷技术，这种芯片体积持续缩小的趋势只能维持到2009年。三星研发人员姜满荣预言说，当半导体工艺技术低于30nm时，存储单元的电荷将开始变弱，数据将会丢失。于是，三星的研发人员开始寻找其他的既能使用现行的制程技术，又能增加闪存容量的方法，3D工艺应运而生。

挑战一 减小堆叠占用面积

研发人员用一种高质量的单晶硅衬底作为第一层存储单元，而在这一层的基础之上，又堆叠了同样由单晶硅构成的第二层。本质上来讲，单层闪存（2D平面结构）就像一个停车场，存储单元存储的电子就像停车场里停放的汽车，而加上一层硅晶使数据容量增大就像两层的停车场能够停更多车辆一样。但利用3D堆叠工艺来增加存储容量仍然有一个亟待解决的问题，美国加州大学伯克利分校电子工程教授维沃克・苏伯拉曼尼安指出，这种方法必定使基层上被盖住的闪存无法用于存储。三星面临的挑战就是将理论上那部分被盖住的面积降至最小，就如同在停车场中减少用来支撑第二层的圆柱的占用面积一样。

挑战二 多层硅晶协调工作

三星面临的另一个挑战是，如何使两层硅晶协调工作？由于第二层硅晶的电子特性，每次只能有一个存储单元被电擦除，而第一层的存储单元却可以实现大面积的电擦除。实验数据表明，第二层存储单元擦除相同数量数据所需要的时间是第一层的32倍。姜满荣说，后来开发者们将第二层硅晶接地，以此来保证第二层存储单元同第一层在擦除数据方面的速度同步。

成本高、工艺难，新技术仍需改进

半导体芯片原理范文第4篇

关键词：高效能制；LED；散热

中图分类号：TP635 文献标识码：A

在我国，以LED为核心的新能源、新光源照明产业正在加速发展，其动力主要来自两方面，一是政府政策的支持和推动逐渐增强，二是企业看重这一市场机遇加大投入。而行业内专业、高端展会的诞生，更是推波助澜地将LED照明产业推上新的发展高度。在反映整个新光源与新能源照明行业的最新发展趋势、状态及问题所在的同时，更将集中展示技术、产品及应用。近年来，LED技术进步和产业提升得到了迅猛发展，[1]LED外延、芯片、封装、驱动电路以及显示应用、照明控制等相关技术的发展非常快，产品性价比提升明显，这给LED照明从可能变为现实带来无限的希望。目前，我国LED产业与国际一流水平相比差距并不大，而且中国具有自主知识产权的单元技术已经显现，中国在LED外延材料、芯片制造、器件封装、荧光粉等方面均已显现具有自主技术产权的单元技术，部分核心技术具有原创性，为中国LED产业做大做强在一定程度上奠定了基础。

一、 LED概念及发光原理

LED（Light Emitting Diode）称为发光二极管，是新型高效固体光源，具有节能、环保和寿命长等显著优点。它的主体是一块电致发光的半导体材料，在它两端加上正向电压，电流会从LED阳极流向阴极，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，电流越强，发光越强。LED发光原理不同于传统UHE、UHP灯泡，它在发光过程中不会产生大量热量，因此寿命都可以达到60000小时以上。半导体照明同样亮度下耗电仅为普通白炽灯的 1/10 ，节能灯的 1/2 ，使用寿命却可能延长 100 倍。自 2003 年以来，[2]在“国家半导体照明工程”的组织实施过程中，国内的相关企业、研发机构和大学围绕宽禁带半导体材料、大功率 LED 器件、封装、配套原材料、重大装备等方面开展研发，攻克了一系列半导体照明的关键技术，取得了显著进展。但半导体白光照明技术还远不成熟，还有一系列的科学、技术问题有待解决， 特别是在产品的质量稳定性和可靠性上，还有待提高。

由 PN 结芯片、电极和光学系统三个主要部分组成了发光二极管。晶片（发光体）的面积为 10.12mil （ 1mil=0.0254 平方毫米），国际上目前生产的大晶片 LED面积可达 40mil 。发光二极管发光过程为正向偏压下的载流子注入、[3]光能传输和复合辐射三部分。在洁净的环氧树脂物中封装了微小的半导体晶片，带负电的电子通过该晶片，移动到带正电的空穴区域，电子和空穴复合并同时消失，形成光子。光子的能量产生的多少由电子和空穴之间的能量（带隙）决定，能量（带隙）越大，光子的能量就越高。不同的材料带隙不同，光子的能量与光的颜色对应，就会发出不同颜色的光，光谱中，红色光、桔色光具有的能量最少，紫色光、蓝色光具有的能量最多。

高亮度的白光 LED将成为LED 照明光源的主流。商品化的白光 LED目前是以蓝光单晶片混合YAG 黄色荧光粉产生白光，即多是二波长。未来较被看好的是三波长白光 LED ，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它会取代LED 背光源、荧光灯紧凑型节能及荧光灯泡等市场。

LED是一种半导体元器件（如图1），核心是 p型及n型半导体组成的芯片。[4]在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。当注入p-n结的载流子数量足够多，就可以实现把电能转换为光能的效果。一般的低功率LED产品拥有能耗低、体积小、反应时间快、有多种光颜色输出、产品寿命长和不含对环境有害的汞等优点。

图1： LED半导体元器件结构图

虽然发光管是冷光源，但LED的光效偏低，在高光效/发光效率（每瓦流明或lm/W）LED灯具应用上需要输入大量的电能来转换成光能。大电流在半导体材料上会产生传导性电阻热，加上半导体材料制作的LED不耐高温，导致过热使LED灯的光输出率及寿命大幅降低。

二、发挥高效能、环保的照明效益散热设计是一大关键

LED元件的核心设计，即是由一片LED晶粒[5]利用加诸电压使其产生发光结果，而与一般矽晶片类似，LED晶片也会因为长时间使用而产生光衰现象，[6]多数设计方案为了提升元件发光亮度，多利用增加晶体的偏压，即提升加诸于LED的电能功率，让晶片能够激发出更高的亮度，如此一来，加强LED功率也会使得晶体的光衰问题、寿命问题加速出现，甚至元件本身因强化亮度而产生的高温，也会造成产品寿命的缩短。

当单颗LED晶粒随着亮度提升，[7]单颗LED功耗瓦数也会由0.1W提高至1、3、甚至5W以上，而多数的LED光源模组实测分析，也会出现封装模组的热阻抗因增加发光效能而提升，一般会由250K/W至350K/W上下持续增加幅度。而检视测试结果会发现，LED也会有随着“功率”增加、“使用寿命”减少的现象，[8]会让原本可能具有20，000小时使用寿命的LED光源元件，因为散热影响，而降低到仅剩1，000小时的使用寿命。当元件在摄氏50度的运作温度下，均能维持最佳的20，000小时寿命，[9]但当LED元件运行于摄氏70度的环境，平均寿命则降至10，000小时，若持续在摄氏100度环境下运行，寿命会仅剩5，000小时。市场上的 LED 光源良秀不齐，许多公司宣称其半导体光源连续使用寿命为 10 万小时，但产品实际可用寿命许多不到 5000 小时，最短的不到 100 小时，[10]整个 LED 产业在市场上的信誉受对极大的影响。另一方面，半导体光源的用户无法选购到可靠的产品，缺少对 LED 产品的质量可靠性及稳定性的有效检测手段，直到客户遭受巨额损失，使用失败后退货。业界要为产业的进一步高速发展奠定基础，必须有一个相对统一的产品质量与可靠性的测试及规范标准。

国际上 CIE 等相关机构鉴于 LED 产业的迅猛发展，还未能制定一个统一的规范，多由各公司自行测试和规定，主要包括高温，常温，低温老化实验，高温高湿老化实验，冷热冲击实验，机械撞击，静电放电实验，震动实验，焊接实验，盐舞实验等若干项。国内 LED 光源用户一般也是用该室温老化实验来验证供应商的产品质量和可靠性，好的公司则有做 1000 小时室温老化实验。由于 LED 光源的使用寿命要求是 1 万至 10 万小时（约 1 年至 11 年），用户很难有时间用常温老化法求证。LED 光源的寿命高温下会大大缩短，[11]LED 光源的寿命 t 和温度呈指数关系，

t=t 0 *exp（- D E/kT）

因此高温加速老化实验是更快速严格的可靠性测试方法。 85 度下 LED 光源寿命比常温将会缩短约 20 倍。 国内许多厂家的劣质产品则在 24 至 100 小时内迅速老化， 该实验成为检验产品质量的一个快速试金石。

功率型LED会受热量影响： （1）热量集中于尺寸很小的芯片里，芯片的发光效率因结区温度升高而降低，芯片周围荧光粉的激射效率的降低，使器件的光学性能受到严重影响，且器件的稳定性和寿命也容易受热应力的非均匀分布而降低；（2）白光照明系统中多个LED 是密集排列的，高热阻会因模块间相互影响导致器件失效。从而，功率型LED的散热成为重要研究课题。

三、LED模组设计的热阻抗现况

除了关键元件LED易受温度影响外，模组化概念开发也多[12]半被采取在光源设计中，甚至为了取代传统光源，让电子电路和发光元件只能在非常小的空间内整合，因为LED为DC直流驱动元件，多数灯具的连接电源为AC交流电源为主，目前的主流做法为了简化LED光源的施作复杂度，是直接将电源整流、LED发光元件和变压模组进行整合，可面临的问题是，可用的电路空间相对小很多，较佳的散热效果在装置内对流空间相对变小的情况下，自然也无法得到实现，模组的散热处理只能透过主动式强制散热的相关对策。

若由热阻抗模组观察所制作而成的热流模型，进行LED[13]晶粒预测接合点的温度，接合点意指半导体的pn接合处，定义热阻抗R为温度差异与对应之功率消散比值，而热阻抗的形成因素相当多，但透过热流模型的检视方式，可以更清楚确认，热的散逸处理方面，是因为哪些关键问题而降低其效率，散热改善工程可从元件、组装方式、结构、基板材质进行。并可以从几个关键处来检视一般LED固态光源的热流模型。

图2：高照明效果的天花板灯，其LED需高功率驱动发光，因此整合的电源模块、散热模块成本也会较高

例如，LED发光元件可以拆解为LED晶粒、封装的塑料、晶粒与接脚的打线，扩及LED光源模组再观察，即会有LED元件、Metal Core PCB （MCPCB）电路板、接合的金属接脚、最后为散热的铝挤型散热片等构成，而热流模型可以观察有几个串联的热流阻抗，例如结合点、电路板与环境、乘载晶粒的金属片等，再检视串联阻抗的热回路，试图去发现散热效率低下的问题症结点。再深入观察模型发现，从晶粒的接合点到整个外部环境的散热过程，其实是由几个散热途径去加总而成，例如，晶粒与乘载金属片的材料特性、LED元件的表面接触或是介于散热用之铝挤型散热鳍片黏胶、电路板材料热阻特性和封装LED晶粒材料的光学树脂接触，乃至降温装置与空气间的组合等，构成整个热流的散热过程。

四、LED固态光源的散热改善方式

LED固态光源的运作温度如何有效散逸，会影响整个光源应用的照明效能、装置寿命、能源利用效能等重要关键，而改善散热的方式可自晶片层级的技术、电路板层级的技术、封装LED晶粒的技术去改善。

由于传统的晶片制法，在晶片层级的散热处理方面，多以蓝宝石作为基板进行设计，而蓝宝石基板的热传导系数接近20W/mK，其实很难将LED[14]磊晶产生的热快速散出，在针对LED晶片级的散热强化处理，尤其是针对高亮度、高功率的LED元件方面，目前主流的作法，是有效利用覆晶将磊晶的热传导出来，即使用覆晶（Flip-Chip）的形式。

另外的方式，因LED元件上下两端都设有金属电极，可采行“垂直”电极的方式去制作LED元件，此可在散热的问题上得到更大的助益。 例如， GaN基板为导电材质，采用GaN基板作为材料，基板下方可直接做电极进行连接，即可得到快速散逸磊晶温度的效益，但这种作法会比传统蓝宝石基板作法的成本贵上许多，因为材料成本较高，元件的制作成本亦会增加。

对封装层级的散热强化作法， LED制作过程，整个LED可利用光学等级的环氧树脂来包住，增大LED元件机械强度，保护元件内的相关线路，但环氧树脂的作法虽可提升元件强度，却同时限制了元件的温度操作范围，因为高温下使用光学级的环氧树脂，会因强光或高温，让环氧树脂的材质本身和光学特性劣化。

图3：亮度强化的灯具，局部高温问题也会加剧，必须搭配更强力的主动散热技术因应。

芯片层面减少管芯热阻是LED 器件的热量处理方法外，对封装而言，降低封装后器件的热阻应设计合理热沉、采用高热导率的封装材料、采用多芯片封装、优化驱动电源等，使器件性能提高。非成像光学是针对LED 封装的光学研究。半导体照明光源应用的重要研究内容就是利用非成像光学设计，满足特定要求的LED 光学系统。

目前封装改善方式，传统的炮弹式封装技术仅在多数中低功率的LED元件中才使用，对于高功率、高亮度的LED元件，多改用Lumileds Luxeon系列封装法，将散热路径集中于下方的金属，内部的封装改用光学特性和耐高温、耐强光表现较优异的矽树脂去进行封装，此封装法可获得较佳的机械强度表现，同时其内部对高温、高强度蓝光LED、紫外线照射有更强大的耐受能力。

以下是封装光学设计实例在投射照明系统中的应用。投射照明系统的光源要有准直、高效的远场分布。若通过LED 光源与附加准直透镜相结合实现准直光场分布，即采用二次光学元件，不但系统体积增加，且LED和二次元件间会存有空气隙，出现额外的反射损耗。LED 芯片封装时的树脂透镜需重新设计，确保LED 在封装的同时实现准直：准直透镜的二维、三维模型首先采用编程方式计算，其光场分布利用蒙特卡罗方法计算，设计模型利用计算结果修正，相应的准直透镜待符合要求后制作。比较采用传统二次元件系统的光场分布及利用直接准直LED 光源的光场分布，该准直透镜的亮度半高全角的理论值为9.8°，实测值为12.8°，其出光效率为90%。准直LED 光源阵列的应用效果已实现。强调说明，此封装结构能简单组合构成大面积阵列，具有很强的可扩展性，满足不同的应用需求。

LED 的封装问题，除光学封装设计、热学处理外，值得探讨与研究的相关技术还有高热导率低损耗封装树脂材料、稳定有效驱动电源模块、新型高转换效率荧光粉材料等。因传统光源和LED 光源形貌上差别很大，如何在外观上为市场接受，也成为封装需解决的技术问题。

电路板层级的散热改善，热传导性能中上表现的一般会采取[15]金属基FR4（PCB） ）制作，如Integrated Metal Substrate（IMS） 、MCPCB处理，进阶高效能热传导能力的会采取陶瓷基板（Ceramic）去制作。

FR4（PCB） 优势为低成本，可导热效能相对较差，多用于低功率的LED装载方面。 金属基PCB（IMS、MCPCB）因操作温度高，例如MCPCB结构由铜箔层、铝基板、绝缘（介电）层构成，一般铜箔层（电路）为1.0～4.0盎司、铝基板（金属核心）层厚度在1mm～3.2mm、绝缘（介电）层为7.5um～150um左右厚度，可用在摄氏140度环境下，为中高价位的制作成本。 陶瓷基板（Ceramic）的成本和单价更高，因为陶瓷可让乘载的晶片更为匹配，其热膨胀系数表现佳，但无法用在大面积的电路，对于LED光源应用面，多数仅用于承载LED元件的区块电路使用，来提升热传导效率。

除前述常见乘载的电路板外，其实还有相对多款具较佳热传导技术的基板技术，例如陶瓷基板（氧化铝）、软式印刷电路板、铝镁合金、金属基复合材料基板、直接钢接合基板（DBC）等技术，但部分技术仍有制程、成本或装载方面的考量，必须视最终成品的实际热流模型限制与改善幅度是否值得更换载板而定。

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半导体芯片原理范文第5篇

关键词：半导体制冷片；单片机；Ds18B20

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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 硬件电路设计

1.1 控制系统方框图

本系统中温度的恒温控制采用STC89C52单片机为核心控制器件，实现对水温在的自动控制。由精密的数字温度传感器Ds18B20构成前置信号采集和调理电路，由制冷片TEC1_12706和继电器实现温度的控制，由LED数码管构成4位动态显示用于显示实时温度值。控制系统方框图如图1所示。

1.2 控制系统原理图

Ds18B20作为温度传感器测得水温，传送给单片机芯片STC89C52，4位LED数码管与单片机芯片相连，通过手动设置温度（上电默认18℃），将所测温度与手动设置温度相比较，若所测温度在手动设置温度±1?C范围内，则继电器不发生动作，制冷片状态不变，继续工作。当所测温度≥18℃时，继电器动作，制冷片变为制冷状态，当温度降到17℃时，继电器停止动作，制冷片处于不工作状态，当温度升到19℃时，制冷片继续工作。控制系统原理图如图2所示。

2 硬件电路元件

2.1 主控单元

本系统主控单元采用我国宏晶公司生产的低功耗、高性能八位微控制器，具有 8K字节系统可编程Flash存储器。它使用经典的MCS-51内核，并且做了很多性能的改进，提高了传统C51芯片的功能功能。比如拥有八位CPU 和在线系统可编程芯片，许多嵌入式控制应用系统通过STC89C52可获得灵活和有效的解决方案。STC89C52RC内置4 KB的 EEPROM，MAX810复位电路，内部包含 8 k字节Flash，512字节的内存，32个I / O端口线，三个16位定时器/计数器，4个外部中断，8向量4级中断结构（5向量2级中断结构与传统51兼容）， 看门狗定时器，全双工串行端口。STC89C52支持两种类型的软件可以选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作允许内存，定时器/计数器，串行端口继 续工作。掉电保护时，RAM的内容保存，振荡 器是被冻结的，单片机停止所有工作，直到下一个中断或硬件复位。

2.2 制冷单元

制冷部分选用的是TEC1_12706半导体制冷片，半导体制冷片通电时一面制冷，另一面制热。但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量，而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递，所以半导体制冷片的制热效率要高于制冷效率，当冷热两端达到一定的温差，这两种热传递就会达到一个平衡点。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度，可以采取散热的方式，使热端的温度降低从而使得冷端达到更低的温度，本系统使用风冷散热器给制冷片散热。

半导体制冷片不需要使用制冷剂，可长时间工作，不会产生对环境有害的物质，是一种固体片器件，工作时不会产生噪音，使用寿命长，安装简单，通过对输入电流的精确控制，可实现高精度的温度控制，便于组成控温系统。

2.3 显示单元

本设计的显示屏选择的是LED数码管，也叫七段数码管，它是在一个长方形的外观内封装了八个固定形状的发光二极管，并将引线在内部连接，组成共阴级或共阳极的器件，在使用时点亮相应的段就可以显示需要的字符，其可以显示0-9和A-F的十六个字符，适用于对显示内容要求不高的场合，系统中只需要显示煎蛋的温度，故采用4位数码管作为显示器件。

在使用时，LED数码管段选信号选择与51单片机的P0口（即P0.0-P0.7）相连，由于P0口的输出电路为漏极开路输出，所以用P0口作为I/O通用输出口使用时，需要在八个引脚接10K左右的上拉电阻。单片机P2口的P2.0～P2.3作为数码管的输入口与LED数码管的位选信号对应相连，控制对应数码管的显示。

2.4 温度检测单元

本系统温度检测单元采用的是Ds18B20芯片通过达拉斯公司的单总线协议依靠一个单线端口通讯，当全部器件经由一个三态端口或者漏极开路端口与总线连接时，控制线需要连接一个弱上拉电阻。在多只Ds18B20连接时，每个Ds18B20都拥有一个全球唯一的64位序列号，在这个总线系统中，微处理器依靠每个器件独有的64位片序列号辨认总线上的器件和记录总线上的器件地址，从而允许多只Ds18B20同时连接在一条单线总线上，因此，可以很轻松地利用一个微处理器去控制很多分布在不同区域的Ds18B20。

在由Ds18B20芯片构建的温度检测系统中，采用达拉斯公司独特的单总线数据通讯方式，允许在一条总线上挂载多个Ds18B20，那么，在对Ds18B20的操作和控制中，由总线控制器发出的时隙信号就显得尤为重要。在系统编程时，一定要严格参照时隙图中的时间数据，做到精确的把握总线电平随时间（微秒级）的变化，才能够顺利地控制和操作Ds18B20。另外，需要注意到不同单片机的机器周期是不尽相同的，所以，程序中的延时函数并不是完全一样，要根据单片机不同的机器周期有所改动。在平常的Ds18B20程序调试中，若发现诸如温度显示错误等故障，基本上都是由于时隙的误差较大甚至时隙错误导致的，在对Ds18B20编程时需要格外注意。

2.5 继电器驱动单元

ULN2003内部是达林顿管结构，进行电流放大。最高电压50V，最大电流500mA，一般用来驱动继电器、步进电机。内部是三极管，在输入低电平时，输出就是高电平，相当于非门。ULN2003是7个通道的。单片机引脚输出的电流很小，不足以驱动继电器，所以采用ULN2003对电流进行放大，是大功率高速集成电路。继电器关断瞬间会产生反电势，ULN2003内部集成了二极管，因此可用来驱动继电器。ULN2003的9号引脚应该接负载电源，这样才能形成续流回路，ULN2003内部的二极管才能达到保护的作用。

3 系统软件设计

图3为本系统的部分软件程序流程图。它是按照系统运行思路所画的。首先系统初始化，然后Ds18B20检测温度，将温度传给单片机，单片机再通过程序将温度送入数码管显示出来，同时温度数码管所测的温度与程序所设定的温度进行比较，若所测温度大于设定温度，继电器发生动作，制冷片制冷；若所测温度在低于设定值，继电器不发

生动作，制冷片维持原状态。

4 总结

本系统实现了饮水机水温控制，通过手动设置温度（上电默认18℃），当Ds18B20所测水温≥18℃时，继电器动作，制冷片进入制冷状态，当水温降到17℃时，继电器动作，制冷片停止制冷，且水温从17℃升到19℃期间，制冷片维持原有状态，当饮水机水温高于19℃时，制冷片继续制冷。

通过本系统的设计与制作，使我对一些芯片有了一定的了解和巩固，对它们的功能有了一定的熟悉和掌握，提高了程序编写的能力同时锻炼了自己的动手能力。

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