本發(fā)明涉及LED驅(qū)動電路，尤其涉及一種InGaN/GaN LED納秒脈沖驅(qū)動電路。

背景技術(shù)：

近年來，隨著對Ⅲ族元素和氮化合物半導(dǎo)體材料制備技術(shù)、生長工藝以及器件封裝技術(shù)等方面的持續(xù)研究，光電半導(dǎo)體器件得到了快速發(fā)展，尤其InGaN/GaN構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)、多量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光材料的研究取得了突破性進(jìn)展，高亮度藍(lán)、綠發(fā)光二極管(Lighting-emitting Diode，LED)、短波長激光器以及雪崩光電二極管探測器等已經(jīng)成功制備。基于InGaN/GaN特殊的基材料和量子阱結(jié)構(gòu)，一方面鈍化了LED的表面，減少了注入有源區(qū)的載流子與表面態(tài)復(fù)合時(shí)造成的損失，增強(qiáng)了器件的穩(wěn)定性；另一方面減少了器件與空氣界面的反射，提高了發(fā)光效率，從而使得InGaN/GaN LED具有很高的輻射復(fù)合效率、較長的使用壽命以及較好的顏色特性，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科研等領(lǐng)域，尤其是對于高速光通信、光電探測等方面的應(yīng)用有著重要的實(shí)際意義。

與此同時(shí)，設(shè)法進(jìn)一步提高InGaN/GaN LED的量子效率、有效改善LED對于電流型脈沖驅(qū)動的響應(yīng)時(shí)間，調(diào)制產(chǎn)生具有較短的光脈沖上升時(shí)間、下降時(shí)間，以及納秒級窄脈沖寬度的光信號，對于高速光通信、光子計(jì)數(shù)以及光電探測等應(yīng)用顯得十分重要，并且這也是一直以來亟待解決的工程難題。

傳統(tǒng)的LED驅(qū)動技術(shù)有些使用電流型方波脈沖驅(qū)動LED，說明了電流型脈沖驅(qū)動可以有效降低LED的功耗，該技術(shù)可以有效提高量子效率。有些使用了一種高頻的電流型三角波脈沖驅(qū)動LED，電路中使用薄膜電容代替電解電容可減小AC/DC轉(zhuǎn)換的低頻紋波，以延長其使用壽命，并說明該脈沖驅(qū)動可提高LED發(fā)光強(qiáng)度的穩(wěn)定性。有些由于LED耗盡層電容影響LED在高速電路中的使用，給出基于GaAs FET的電流脈沖驅(qū)動電路，從而較大提高LED在可見光通信中的調(diào)制速率。

圖1是一般的異質(zhì)結(jié)LED等效電路模型，是一種固態(tài)的電致發(fā)光半導(dǎo)體器件，可以直接將電能轉(zhuǎn)化為光能。

其中所述的，Cb為勢壘電容，由耗盡層的寬窄變化等效而來，Cd為擴(kuò)散電容，是P-N結(jié)正偏時(shí)所表現(xiàn)出來的一種微分電容效應(yīng)，兩者統(tǒng)稱為LED的結(jié)電容。所述的Rd表示在正向電壓下的動態(tài)電阻，由LED的V-I特性決定。所述的Rs表示P區(qū)和N區(qū)的體電阻，由LED的摻雜結(jié)構(gòu)及P、N區(qū)的電阻率決定。Lp、Cs分別表示LED封裝后產(chǎn)生的寄生電感和電容。其中結(jié)電容、寄生電容都會影響LED的頻率響應(yīng)，即會延遲LED的導(dǎo)通點(diǎn)亮、熄滅時(shí)間。

圖2所述是電流脈沖激勵LED產(chǎn)生的光信號延遲，將LED的導(dǎo)通延遲時(shí)間定義為給LED加上電流脈沖直到LED開始輻射出光信號的這個時(shí)間段，用t_d表示，光信號的上升時(shí)間用t_r表示、下降時(shí)間用t_f表示，由于LED的等效電容會延遲注入載流子到達(dá)復(fù)合區(qū)域的時(shí)間，從而引起這種導(dǎo)通延時(shí)。只有等效電容充滿電后，LED才開始輻射出光信號，充電時(shí)間取決于時(shí)常數(shù)RC_LED和電流脈沖I_pulse的大小。

圖3是改善導(dǎo)通延遲后的基于高速場效應(yīng)管的LED脈沖驅(qū)動電路，高速場效應(yīng)管具有非常高的開關(guān)速率，因此可以在高頻脈沖驅(qū)動電路中使用。將LED的陽極通過限流電阻R直接與直流偏壓Vcc相連接，這樣就可以在電流脈沖到來之前給等效電容充滿電，從而較有效的縮短了LED導(dǎo)通的延時(shí)，較大改善LED的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

為了較準(zhǔn)確地估計(jì)多量子阱結(jié)構(gòu)InGaN/GaN LED的時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)特性，則利用雙異質(zhì)結(jié)理論模型對其響應(yīng)過程進(jìn)行分析。

式(1)中t_r為光信號的上升時(shí)間(從幅度的10％上升到90％)，I_pulse為通過LED的正向電流，在LED開始被點(diǎn)亮的瞬間，首先給電容充電，接著載流子開始注入并充滿量子阱，然后復(fù)合輻射發(fā)出光信號，k_LED為LED的特征常數(shù)。

假定LED沒有通過外部電路放電，對于光脈沖信號的熄滅瞬態(tài)響應(yīng)是一個高阻抗模型，同時(shí)假設(shè)LED熄滅之前的瞬間載流子濃度達(dá)到了一個相對穩(wěn)定狀態(tài)，在這個廣義條件下，光信號的下降時(shí)間t_f(從幅度的90％下降到10％)可表示為(2)式

所述的兩種情況下的響應(yīng)時(shí)間均與脈沖電流的有關(guān)。對于高阻抗驅(qū)動電路而言，LED固有的光信號下降時(shí)間要比光信號上升時(shí)間大約慢倍，因而也成了LED在高速應(yīng)用中的限制因素。

圖4所示是應(yīng)用電流脈沖峰值技術(shù)和掃出效應(yīng)驅(qū)動LED產(chǎn)生的光脈沖信號響應(yīng)，采用電流峰值技術(shù)在脈沖上升沿產(chǎn)生過沖來減少光信號的上升時(shí)間，利用掃出效應(yīng)在脈沖下降沿產(chǎn)生下沖來減少光信號的下降時(shí)間。從而可以大大改善LED的響應(yīng)時(shí)間，有效降低光脈沖寬度。與圖2相比，可以看出光信號上升時(shí)間和下降時(shí)間有明顯改善，尤其是下降時(shí)間，不再有較長的拖尾。

以上方法均涉及到使用電流脈沖驅(qū)動LED，但并沒有使用一種更好的方法來有效改善LED的響應(yīng)速率，效縮短光脈沖信號的上升時(shí)間、下降時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種InGaN/GaN LED納秒脈沖驅(qū)動電路，有效改善LED的響應(yīng)速率，有效縮短光脈沖信號的上升時(shí)間、下降時(shí)間。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種InGaN/GaN LED納秒脈沖驅(qū)動電路，包括高速場效應(yīng)管器件高阻抗驅(qū)動電路，高速場效應(yīng)管器件開關(guān)電路，脈沖信號產(chǎn)生模塊，肖特基二極管SBD1、SBD2，第一電感L1、電容C；

脈沖信號產(chǎn)生模塊，高速場效應(yīng)管器件高阻抗驅(qū)動電路與高速場效應(yīng)管器件開關(guān)電路連接，高速場效應(yīng)管器件開關(guān)電路包括主開關(guān)模塊和輔助開關(guān)模塊，主開關(guān)模塊和輔助開關(guān)模塊均為場效應(yīng)管，兩場效應(yīng)管并聯(lián)連接、且兩場效應(yīng)管漏級和源極之間均連接有二極管，電源Ed1、第一二極管D1、第二電感L2串聯(lián)后連接在輔助開關(guān)模塊場效應(yīng)管漏級和源極，第二二極管D2和穩(wěn)壓管ZD1反向串聯(lián)后連接在主開關(guān)模塊和輔助開關(guān)模塊的兩場效應(yīng)管漏級之間；

LED陽極與直流偏壓電源Vcc相連接，LED陰極與高速場效應(yīng)管器件開關(guān)電路連接，兩個串聯(lián)的肖特基二極管SBD1、SBD2與電容C并聯(lián)連接在LED陽極和偏壓電源Vcc之間；第一電感L1連接在LED陰極與偏壓電源Vcc之間；

脈沖信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生一個脈沖信號，經(jīng)過高速場效應(yīng)管器件高阻抗驅(qū)動電路對脈沖信號進(jìn)行放大輸出，輸出信號送入高速場效應(yīng)管器件開關(guān)電路控制LED發(fā)光。

進(jìn)一步，LED陽極與直流偏壓電源Vcc之間連接有限流第一電阻R1。

進(jìn)一步，第一電感L1串聯(lián)有限流第二電阻R2，第一電感L1和第二電阻R2連接在LED陰極與偏壓電源Vcc之間。

進(jìn)一步，脈沖信號產(chǎn)生模塊輸出高速窄脈沖信號，輸出頻率≥10MHz脈沖寬度≤2ns。

進(jìn)一步，場效應(yīng)管器件采用高速M(fèi)OSFET晶體管芯片，靜態(tài)漏源電阻≤250mΩ，上升時(shí)間≤1ns,下降時(shí)間≤1.5ns。

本發(fā)明的InGaN/GaN LED納秒脈沖驅(qū)動電路，包括高速場效應(yīng)管器件高阻抗驅(qū)動電路，高速場效應(yīng)管器件開關(guān)電路，脈沖信號產(chǎn)生模塊，肖特基二極管SBD1、SBD2，第一電感L1、電容C；利用電流脈沖峰值技術(shù)，肖特基二極管SBD1和SBD2和電容C構(gòu)成的回路會產(chǎn)生電流峰值，從而可以使光脈沖的上升時(shí)間縮短幾個納秒，縮短了光脈沖的上升時(shí)間；第一電感L1連接在LED陰極與偏壓電源Vcc之間，在電流脈沖下降的階段，利用電感提供的反向電流回路，產(chǎn)生一個下沖電流，從而可減小光脈沖的下降時(shí)間，以加速LED熄滅，大大的改善光脈沖的下降時(shí)間；將LED的陽極與直流偏壓Vcc相連接，這樣就可以在電流脈沖到來之前給等效電容充滿電，從而較有效的縮短了LED導(dǎo)通的延時(shí)，較大改善LED的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

肖特基二極管是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電器件，不存在少數(shù)載流子在PN結(jié)附近積累和擴(kuò)散的過程，所以電容效應(yīng)非常小，工作速度非常快，特別適合高頻狀態(tài)使用。在電流脈沖上升階段通過肖特基二極管SBD和電容C構(gòu)成的回路時(shí)會產(chǎn)生電流峰值，與此同時(shí)會產(chǎn)生光脈沖信號的峰值，從而可以使光脈沖的上升時(shí)間縮短幾個納秒，大大改善光脈沖的上升時(shí)間。

本發(fā)明首先理論分析了光脈沖信號的上升時(shí)間、下降時(shí)間與驅(qū)動電流強(qiáng)度的關(guān)系，接著利用電流峰值技術(shù)和載流子掃出效應(yīng)，設(shè)計(jì)了基于高速M(fèi)OSFET的納秒級窄脈沖驅(qū)動電路。實(shí)驗(yàn)表明，該驅(qū)動電路對比與現(xiàn)有技術(shù)可使I nGaN/GaN LED的響應(yīng)時(shí)間縮短2～3ns，且有效提高了發(fā)光效率。

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，本發(fā)明設(shè)計(jì)的脈沖驅(qū)動電路能有效的改善LED的響應(yīng)速率，大大縮短光脈沖的上升、下降時(shí)間。從而可以推廣應(yīng)用于高速光通信、光子計(jì)數(shù)、光電檢測等領(lǐng)域。

【附圖說明】

圖1為LED等效電路模型；

圖2為電流脈沖激勵LED產(chǎn)生的光信號延遲；

圖3為基于高速場效應(yīng)管的LED脈沖驅(qū)動電路；

圖4為應(yīng)用電流脈沖峰值技術(shù)和掃出效應(yīng)驅(qū)動LED產(chǎn)生的光脈沖信號響應(yīng)；

圖5為本發(fā)明的改進(jìn)型LED納秒脈沖驅(qū)動電路；

圖6為LED納秒脈沖驅(qū)動電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖；

圖7為未改進(jìn)的LED脈沖驅(qū)動電路產(chǎn)生的光脈沖波形；

圖8為改進(jìn)的LED脈沖驅(qū)動電路產(chǎn)生的光脈沖波形；

【具體實(shí)施方式】

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

如圖5所示的一種InGaN/GaN LED納秒脈沖驅(qū)動電路，包括高速場效應(yīng)管器件高阻抗驅(qū)動電路，高速場效應(yīng)管器件開關(guān)電路，脈沖信號產(chǎn)生模塊，肖特基二極管SBD1、SBD2，第一電感L1、電容C；

脈沖信號產(chǎn)生模塊，高速場效應(yīng)管器件高阻抗驅(qū)動電路與高速場效應(yīng)管器件開關(guān)電路連接，高速場效應(yīng)管器件開關(guān)電路包括主開關(guān)模塊S1和輔助開關(guān)模塊S2，主開關(guān)模塊S1和輔助開關(guān)模塊S2均為場效應(yīng)管，兩場效應(yīng)管并聯(lián)連接、主開關(guān)模塊S1場效應(yīng)管漏級和源極之間連接有第三二極管D3，輔助開關(guān)模塊S2場效應(yīng)管漏級和源極之間連接有第四二極管D4，電源Ed1、第一二極管D1、第二電感L2串聯(lián)后連接在輔助開關(guān)模塊S2場效應(yīng)管漏級和源極，第二二極管D2和穩(wěn)壓管ZD1反向串聯(lián)后連接在主開關(guān)模塊S1和輔助開關(guān)模塊S2的兩場效應(yīng)管漏級之間；

LED陽極與直流偏壓電源Vcc相連接，LED陰極與高速場效應(yīng)管器件開關(guān)電路連接，兩個串聯(lián)的肖特基二極管SBD1、SBD2與電容C并聯(lián)連接在LED陽極和偏壓電源Vcc之間；第一電感L1連接在LED陰極與偏壓電源Vcc之間；

脈沖信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生一個脈沖信號，經(jīng)過高速場效應(yīng)管器件高阻抗驅(qū)動電路對脈沖信號進(jìn)行放大輸出，輸出信號送入高速場效應(yīng)管器件開關(guān)電路控制LED發(fā)光。

所述的高速場效應(yīng)管，具有非常高的開關(guān)速率，因此可以在高頻脈沖驅(qū)動電路中使用。

將LED的陽極通過限流第一電阻R1直接與直流偏壓Vcc相連接，這樣就可以在電流脈沖到來之前給等效電容充滿電，從而較有效的縮短了LED導(dǎo)通的延時(shí)，較大改善LED的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

LED納秒脈沖驅(qū)動電路，驅(qū)動方法如下：

步驟一，脈沖信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生一個脈沖信號，經(jīng)過FET驅(qū)動電路，會對脈沖信號進(jìn)行放大輸出一個驅(qū)動場效應(yīng)管開關(guān)S1和S2的柵源電壓V_gs,直流電源Ed1和直流偏壓電源Vcc分別輸出一個穩(wěn)定的電壓，穩(wěn)壓二極管ZD1作用是阻止當(dāng)主開關(guān)S1打開時(shí)輔助電路中的環(huán)流流入主開關(guān)S1中。

步驟二，當(dāng)柵源電壓V_gs大于場效應(yīng)管S1和S2的閾值電壓V_T時(shí)，開關(guān)S1和S2打開，場效應(yīng)管快速導(dǎo)通，第二電感L2會快速存儲能量。利用電流脈沖峰值技術(shù)，肖特基二極管SBD1和SBD2和電容C構(gòu)成的回路會產(chǎn)生電流峰值，從而可以使光脈沖的上升時(shí)間縮短幾個納秒，縮短了光脈沖的上升時(shí)間。

步驟三，當(dāng)柵源電壓V_gs小于場效應(yīng)管S1和S2的閾值電壓V_T時(shí)，開關(guān)S1和S2關(guān)閉，場效應(yīng)管快速斷開，則L2的能量快速流入主開關(guān)S1中的寄生輸出電容，即寄生輸出電容快速充電，大大縮短了主開關(guān)S1的關(guān)閉時(shí)間。所述的第一電感L1，在主開關(guān)S1閉合時(shí)，利用掃出效應(yīng)在電流脈沖下降的階段利用電感提供的反向電流回路，產(chǎn)生一個下沖電流，從而可減小光脈沖的下降時(shí)間，以加速LED熄滅，極大的縮短了光脈沖的下降時(shí)間。

步驟四，依次重復(fù)執(zhí)行步驟一至步驟三，經(jīng)FET驅(qū)動電路放大源脈沖信號送至S1和S2的柵極，通過輔助電路的控制，高效的控制主開關(guān)S1的導(dǎo)通與關(guān)斷。

所述的高速場效應(yīng)管開關(guān)電路，主開關(guān)的的開關(guān)速率取決于場效應(yīng)管的寄生電容的充電時(shí)間，主開關(guān)的打開時(shí)間是可以通過場效應(yīng)管的寄生輸入電容充電控制，關(guān)閉時(shí)間主要對應(yīng)寄生輸出電容的充電時(shí)間。本發(fā)明設(shè)計(jì)的高速場效應(yīng)管的開關(guān)電路主要是通過給主開關(guān)的寄生輸出電容快速充電，來縮短主開關(guān)的關(guān)閉時(shí)間，來提高場效應(yīng)管的開關(guān)速率，用來提高LED響應(yīng)速率。

所述的穩(wěn)壓二極管是阻止當(dāng)主開關(guān)S1打開時(shí)輔助電路中的環(huán)流流入主開關(guān)S1中。

所述的LED納秒脈沖驅(qū)動電路中通過增加一個電容C和兩個肖特基二極管SBD1和SBD2并聯(lián)，所述的肖特基二極管是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電器件，不存在少數(shù)載流子在PN結(jié)附近積累和擴(kuò)散的過程，所以電容效應(yīng)非常小，工作速度非?？欤貏e適合高頻狀態(tài)使用。

因此，在電流脈沖上升階段通過肖特基二極管SBD1和SBD2和電容C構(gòu)成的回路時(shí)會產(chǎn)生電流峰值，與此同時(shí)會產(chǎn)生光脈沖信號的峰值，從而可以使光脈沖的上升時(shí)間縮短幾個納秒，大大改善光脈沖的上升時(shí)間。電路中，通常C取值幾個pF。

所述的LED納秒脈沖驅(qū)動電路通過并聯(lián)一個第一電感L1，在電流脈沖下降的階段，利用電感提供的反向電流回路，產(chǎn)生一個下沖電流，從而可減小光脈沖的下降時(shí)間，以加速LED熄滅，大大的改善光脈沖的下降時(shí)間。電路中，通常L1取值幾個nH。

圖6所示的是LED納秒脈沖驅(qū)動電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖，主要包含脈沖信號產(chǎn)生模塊、場效應(yīng)管驅(qū)動及納秒脈沖驅(qū)動電路模塊、雪崩光電二極管接收模塊以及信號觀測模塊。

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中選用了epitex公司的峰值波長為450nm的InGaN藍(lán)光LED作為實(shí)驗(yàn)光源(L450R-01)。脈沖信號產(chǎn)生模塊使用信號發(fā)生器產(chǎn)生重復(fù)頻率、脈沖寬度均可調(diào)的窄脈沖，輸出頻率≥10MHz脈沖寬度≤2ns。實(shí)驗(yàn)中重復(fù)頻率選取1MHz，脈沖寬度取5ns；為了獲得較高的電流脈沖信號上升、下降速率，MOSFET開關(guān)使用高速M(fèi)OSFET晶體管芯片(靜態(tài)漏源電阻≤250mΩ，最大上升時(shí)間≤1ns,最大下降時(shí)間≤1.5ns)；光脈沖的測試由SiPM實(shí)現(xiàn)，最后通過數(shù)字示波器(帶寬≥1GHz，采樣率≥5Gs/S)直接觀測光電轉(zhuǎn)換后的信號。

如圖8所示的是實(shí)驗(yàn)中通過示波器測試的改進(jìn)的LED脈沖驅(qū)動電路產(chǎn)生的光脈沖波形。

為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的改進(jìn)型驅(qū)動電路的良好效果，在相同條件的電流脈沖激勵下，對如圖7所示的未改進(jìn)的圖4所示的驅(qū)動電路產(chǎn)生的信號進(jìn)行測試。

由所述的測試結(jié)果可知，圖7中光脈沖的上升時(shí)間約3ns，下降時(shí)間約3.5ns，脈沖寬度約6ns；圖8中光脈沖的上升時(shí)間約1ns，下降時(shí)間約2ns，脈沖寬度約4ns。比較圖7、圖8，可以明顯得出本發(fā)明設(shè)計(jì)的脈沖驅(qū)動電路有效的縮短了光脈沖的上升、下降時(shí)間，并改善了脈沖寬度。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，通過上述說明內(nèi)容，本技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)工作人員可以在不偏離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，進(jìn)行多樣的改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。