專利名稱:補償輸出頻率的發光單元、以及用于確定輸出頻率的方法
技術領域:
本發明涉及使用發光二極管(LED)的發光器件,具體地涉及控制這種器件以補償 輸出頻率(即顏色)的變化。
背景技術:
使用諸如LED的固態器件的發光正得到推動。使用LED發光與使用常規光源相比 具有幾個優點,包括更佳的光輸出/尺寸比以及提高的功率效率。已經認識到在工作期間,LED溫度增加,這影響了 LED的光輸出量以及輸出光的主 波長。已經認識到需要進行光輸出的溫度測量或光學分析,以提供反饋值用于控制LED 驅動條件。該反饋可以補償溫度相關的效應以及LED老化二者。針對溫度補償,可以利用位于LED鄰近的外部溫度傳感器、或集成的溫度傳感器 來測量LED溫度。也已經提出測量光輸出通量以及色溫,并且利用這些測量來提供補償驅動方案。 這可以補償溫度效應和老化二者。然而,使用光學傳感器的色溫測量要求復雜的硬件和軟 件。在制造期間,產生LED器件的輸出中的不均勻性的另一來源,因為LED被制作為雙 異質結構,在不同的層之間總是存在著晶格錯配。由于錯配,在結構中引入了缺陷,這導致 了界面態的存在。由于雙異質結構的制造工藝從來都不能很好地受到控制,同一批LED將 具有稍微不同的界面陷阱密度,結果將具有稍微不同的波長。
發明內容
本發明的目的在于使得可以按照簡單的方式確定LED的主波長,不需要分析光輸
出ο根據本發明,提供一種確定LED的主輸出波長的方法,包括確定LED與電壓-電容特性相關的電特性;以及分析電特性,以確定主輸出波長。該方法使得能夠利用對器件特性的簡單電分析來確定輸出波長。這使得可以補償 制造時器件之間的變化。例如,該分析可以包括確定相位,以及從相位推導出主輸出波長。 在一個實例中,從相位推導出主輸出波長可以包括確定與90度之間的相位差。通過將所確定的電特性與樣品數據相比較,可以確定主輸出波長,該樣品數據已 經通過分析樣品LED器件的電壓-電容特性與主輸出波長之間的關系推導出來。因而,可 以對樣品器件進行光分析以建立器件變化的模型。然后,該模型使得能夠僅僅基于所測量 的電特性(例如在優選的實例中,相位測量)來實現簡單的波長確定。如果已經建立將輸出波長與強度分布相關聯的適當模型,有關LED的輸出強度特 性的信息也可以從該電特性確定。
本發明也提供了控制LED的方法,包括采用本發明的方法確定主輸出波長;以及與所確定的主輸出波長相關地控制LED。因而,可以改變對LED的控制,使得可以獲得所需的輸出顏色,而不管不同的LED 器件之間的變化如何。本發明也提供了控制多個不同顏色的LED的方法,包括采用本發明的方法確定每一個LED的主輸出波長;以及與所確定的主輸出波長相關地控制LED,從而獲得所需的組合顏色輸出。該控制方法可以用于顯示驅動方法的一部分,其中多個不同顏色的LED限定了一 個顯示像素,并且顯示器包括多個顯示像素。替代地,多個不同顏色的LED可以限定顯示器 背光。本發明也提供了用于確定LED的主輸出波長的裝置,包括用于確定LED與電壓-電容特性相關的電特性的裝置;以及用于分析電特性以確定主輸出波長的裝置。本發明也提供了顯示裝置,包括多個LED像素;以及用于確定每一個LED的主輸出波長的本發明的裝置。另一種本發明的顯示裝置包括多個像素;包括多個LED的背光;以及用于確定每一個LED的主輸出波長的本發明的裝置。
將參照附圖描述本發明的實例,其中圖1是兩個不同晶體管柵極的電壓_電容特性的實例;圖2示出了圖1中的兩個電壓_電容特性的相位關系;圖3示出了相位與波長之間的關系;以及圖4示出了本發明的LED裝置及控制電路。
具體實施例方式本發明提供了用于分析LED的電壓_電容特性以確定主輸出波長的方法。電容-電壓測量是用于分析電子器件(如CMOS器件或p-n結)的特性的常規測量。圖1示意性地示出了兩個不同的p-n結的兩個電容_電壓測量。電容在特定的施加電壓處具有最小值。在該最小值處電容值的差異與在p-n結界 面處存在的界面態相關。在LED的情形下,p-n結處界面陷阱的數量控制了輸出波長。因此,與界面陷阱的 數量相關的測量可以用作確定LED的輸出波長的參數。LED制作成雙異質結構,其中在不同的層之間總是存在著晶格錯配。由于該錯配,在結構中引入了缺陷,這導致了界面態的存在。由于雙異質結構的制造工藝從來都不能很 好地受到控制,同一批LED將具有稍微不同的界面陷阱密度,結果將具有稍微不同的波長。通過測量LED的電容-電壓特性,本發明使得能夠進行與界面態密度相關的測量, 從而使得能夠確定同一批LED之間的波長變化。電容-電壓曲線給出了與電導和被分析的器件的傳遞函數的相位相關的信息。具 體地,可以利用器件特性的模型從C-V曲線提取相位和電導信息。本發明人已經發現在器 件特性的相位分析中最容易看到界面態變化的影響。圖2示出了圖1中的兩個電壓_電容特性的相位關系。理想的電容傳遞函數具有90度的相位。如圖2所示,與90°之間的相位差可以用 作與界面陷阱相關的量度,因而可以用于確定輸出波長。通過測量多個樣品LED模塊的相位,并且將這些相位測量與輸出波長相關聯,可 以建立相位測量與輸出波長之間的關系的模型。在優選的實現中,該模型也可以確定光輸 出強度特性。為了通過經驗性的樣品測試來獲得該相關模型(將電測試映射為波長和輸出強 度特性),需要進行多次樣品測量_相位測量,這給出了界面陷阱的密度的電表征。_光譜儀測量,給出所測量的LED的峰值波長。為此,簡單的常規光譜儀就足夠了。-利用積分球進行的測量,用于確定LED的總光輸出。還建立了包含與發光中心和非輻射中心(陷阱)相關的參數的模型。這給出了具 有特定峰值波長的LED將提供多少光輸出的光學表征。通過利用積分球確定的所測量的光輸出值,對基于該模型的光輸出值進行校準, 可以獲得發光中心和陷阱的正確值。然后,這些值可以與電測量相關聯,以推導出LED電參 數(相位)與LED的波長和輸出強度之間的關系。該模型使得能夠確定波長和強度分布二者。按照本發明的更簡單的模型可以僅基 于相位和輸出波長的測量,使得能夠推導出簡單的一對一映射。更復雜的模型可以預測在能帶圖上發生的變化,因而能夠預測與LED電流相關的 光輸出和波長變化。該模型可以基于照射中心及其位置的強度。通過基于簡單的測試推導出該模型,不需要相位變化對輸出波長的效應的詳細的 數學建模。結果,可以在足夠高的頻率(例如IMHz)通過簡單的相位測量來精確地測量波長 的變化,使得界面陷阱在相位信號中清楚可見。這些測量可以在使用LED的同時來進行。高頻使得LED輸出的調制不可見,而且, 可以與LED的脈寬調制操作相結合。可以在LED的壽命期間進行測量,使得能夠隨時間校正驅動方案。圖3是關聯圖的實例,其中在IMHz進行的相位測量與不同藍色LED的峰值波長相 關聯。可以清楚地看到該技術在0. 5nm量級的波長變化中具有非常高的分辨率。圖3中的圖形給出了五個樣品的結果。然后,該圖形轉換成函數,例如穿過五個圖 塊(plot)的最佳線性擬合函數,或者最佳二次擬合或其他函數。然后,該函數可以用于將 相位測量轉換成波長值。
替代地,可以從樣品建立具有分立相位值的查找表,以允許從相位測量轉換成波 長值。所獲得的波長可以用作控制LED的方法中使用的反饋參數。例如,多個不同顏色 的LED可以一起形成彩色的光輸出器件。通過確定每一個LED的主輸出波長,可以與所確 定的主輸出波長相關地控制LED,從而獲得所需的組合顏色輸出。該方法例如可以用于顯示驅動方法,其中多個不同顏色的LED限定了一個顯示像 素,并且顯示器包括多個顯示像素。本發明的方法可以用于監視隨時間的LED輸出波長和強度特性,從而使得驅動方 案能夠校正老化以及制造時不同器件之間的差異。這也可以用于延長LED的壽命。本發明對于使用有源背光切換的顯示器應用尤其引起興趣,其中背光實現為本發 明的LED的裝置。該方法將背光的局部區域切換成不同的光輸出水平,例如改善圖像對比 度。在這種類型的系統中,發生LED的快速開關。這意味著LED的波長可以漂移。在給定 的時間準確地知道波長,使得能夠利用智能驅動方案進行校正。彩色順序LCD TV也獲得了積極的開發。在彩色順序驅動方案中,形成一個紅色、 一個綠色和一個藍色圖像(或其組合),并且這些圖像組合以產生全彩色圖像。再次地,需 要精確地知道LED的顏色,以正確地構成最終的圖像。圖4示出了本發明的實例LED裝置及控制電路。圖4中的實例包括顯示裝置10,該顯示裝置包括LED顯示面板12和分區段的背光 14,該分區段的背光14包括LED 16。示意性地示出為18的顯示驅動電路實現了 LED的相 位測量,并且將所確定的LED波長和強度特性考慮進來,控制背光14和顯示面板12。沒有詳細描述LED裝置的特性。這可以是任何類型的常規LED裝置。正如從上面 的說明書清楚的那樣,LED可以形成顯示像素或顯示器背光。許多其他的應用將是明顯的, 如告示牌、廣告牌和其他普通的彩色光輸出裝置。由于美學和技術原因,例如在博物館設施 中需要特殊的彩色輸出。本領域的技術人員公知對于樣品的C-V分析所需的設備。C-V分析由M Terman在 1962年首先提出。通過施加不同的偏置電壓以及測量所得的電容來確定C-V特性。偏置電 壓通常包括在其上疊加有AC信號的DC電壓。DC電壓逐漸變化,從而被測試的器件連續工 作于累積模式和耗盡模式。C-V計可以在市場上到處獲得。這些設備特性和算法的實現對 于本領域的技術人員是常規的。用于(與C-V特性相關地)產生(實時)反饋控制信號的相位測量電路也可以是 常規的,并且本領域的技術人員也公知相位測量技術。所測量的相位包括二極管的傳遞函 數,即電阻/阻抗特性,對于理想的電容器而言是90度。已經發現在二極管中與該理想電 容的偏離表示界面陷阱密度,進而表征輸出波長和強度特性。相位測量頻率優選為IMHz或更低,例如500kHz。利用常規的處理器可以實現基于 從樣品分析所確定的關系將所測量的相位映射為波長(以及可選地,強度)特性。主輸出波長表示輸出強度處于峰值時的波長。然而,該波長不需要絕對精確,而是 可以在希望的波長頻段之內獲得。各種其他的修改對于本領域的技術人員將是明顯的。
權利要求
一種確定LED的主輸出波長的方法,包括確定LED與電壓 電容特性相關的電特性;以及分析電特性,以確定主輸出波長。
2.根據權利要求1所述的方法,其中確定電特性包括確定相位以及從相位推導主輸出 波長。
3.根據權利要求2所述的方法,其中從相位推導主輸出波長包括確定與90度之間的相位差。
4.根據前述任一權利要求所述的方法,其中確定主輸出波長包括將所確定的電特性與 樣品數據相比較,該樣品數據通過分析樣品的電壓_電容特性與樣品LED器件的主輸出波 長之間的關系而推導出。
5.根據前述任一權利要求所述的方法,還包括從電壓-電容特性確定與輸出強度特性 有關的信息。
6.一種控制LED的方法,包括采用前述任一權利要求所述的方法確定主輸出波長;以及 與所確定的主輸出波長相關地控制LED。
7.—種控制多個不同顏色的LED的方法,包括采用權利要求1至5中任一項所述的方法,確定每一個LED的主輸出波長;以及 與所確定的主輸出波長相關地控制LED,從而獲得所需的組合顏色輸出。
8.—種顯示驅動方法,包括采用權利要求7的方法控制多個不同顏色的LED,其中所述 多個不同顏色的LED限定一個顯示像素,并且顯示器包括多個顯示像素。
9.一種顯示驅動方法,包括采用權利要求7的方法控制多個不同顏色的LED,其中所述 多個不同顏色的LED限定顯示器背光。
10.一種確定LED的主輸出波長的裝置,包括用于確定LED的與電壓-電容特性相關的電特性的裝置;以及 用于分析電特性以確定主輸出波長的裝置。
11.根據權利要求10所述的裝置,其中用于確定電特性的裝置包括用于確定相位以及 從相位推導主輸出波長的裝置。
12.根據權利要求11所述的裝置,其中用于分析的裝置包括用于確定與90度之間的相 位差的裝置。
13.根據權利要求12所述的裝置,包括用于將所確定的電特性與樣品數據相比較的裝 置,該樣品數據通過分析樣品LED器件的電壓-電容特性與主輸出波長之間的關系而推導出ο
14.根據權利要求10至13中任一項所述的裝置,其中用于分析的裝置進一步從所確定 的電特性確定與輸出強度特性有關的信息。
15.一種顯示裝置,包括 多個LED像素;以及根據權利要求10-14中任一項所述的用于確定每一個LED的主輸出波長的裝置。
16.一種顯示裝置,包括 多個像素(12);包括多個LED (16)的背光(12);以及根據權利要求10-14中任一項所述的用于確定每一個LED的主輸出波長的裝置(16)。
全文摘要
一種確定LED的主輸出波長的方法,包括確定LED與電壓-電容特性相關的電特性,以及分析該特性以確定主輸出波長。
文檔編號H05B33/08GK101946561SQ200980105224
公開日2011年1月12日 申請日期2009年2月9日 優先權日2008年2月15日
發明者伯努特·巴泰婁, 帕斯卡爾·貝思肯, 戴維·范斯滕溫克爾, 拉杜·蘇爾代亞努, 菲特·恩古耶恩霍安 申請人:Nxp股份有限公司