CN102376694B - 具温度补偿功能的发光元件 - Google Patents

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Abstract

具温度补偿功能的发光元件。该发光元件包含一发光二极管群组；一温度补偿元件电性连接于发光二极管群组；其中，发光元件于操作状态时，发光二极管群组的接面温度自一第一温度上升至一第二温度，通过温度补偿元件使得流通过发光二极管群组的电流值于第二温度时大于第一温度时的电流值。

Description

具温度补偿功能的发光元件
技术领域
本发明揭示一种发光元件，特别是关于一种具温度补偿功能的发光元件。
背景技术
发光二极管(light-emittingdiode，LED)的发光原理是利用电子在n型半导体与p型半导体间移动的能量差，以光的形式将能量释放，这样的发光原理有别于白炽灯发热的发光原理，因此发光二极管被称为冷光源。
此外，发光二极管具有高耐久性、寿命长、轻巧、耗电量低等优点，因此现今的照明市场对于发光二极管寄予厚望，将其视为新一代的照明工具，已逐渐取代传统光源，并且应用于各种领域，如交通号志、背光模块、路灯照明、医疗设备等。
在照明领域的应用上，一般须使发光二极管产生近日光(白光)的光谱以配合人眼视觉习惯。前述白光应用可由红、蓝、绿三原色发光二极管，通过电路设计调配操作电流，依不同比例混成白光，由于电路模块成本高，目前应用并不普遍。另一为通过紫外光谱发光二极管(UV-LED)激发红、绿、蓝色荧光粉使发出红光、绿光、蓝光，-再混成白光，但因目前UV-LED的发光效率仍待改善，在产品应用上尚未普遍。
然而，当电流输入发光二极管时，除了电能-光能的转换机制外，还有一部分的电能会转变成热能，进而造成诸多光电特性的改变。请见图1所示，当发光二极管的接面温度(junctiontemperature；Tj)由20℃上升至80℃时，蓝光与红光发光二极管的光电特性的曲线图；其中，纵轴显示当发光元件于各接面温度时的光电特征值与接面温度为20℃时的相对值，例如图中所示包括光输出功率(Po；菱形符号)、波长偏移量(Wd；三角形符号)、及顺向电压值(Vf；正方形符号)；图中的实线代表蓝光发光二极管的特征曲线，虚线则代表红光发光二极管的特征曲线。当接面温度由20℃升高至80℃时，蓝光发光二极管的光输出功率下降约12％，亦即其热冷系数(Hot/ColdFactor)约为0.88；而对于红光发光二极管的光输出功率则下降约37％，亦即其热冷系数约为0.63。此外，在波长的偏移方面，蓝光与红光发光二极管并无太大差别，仅随Tj变化而些微变化；在顺向电压的变化方面，当Tj由20℃升高至80℃时，蓝光与红光发光二极管则各下降约7～8％的幅度，亦即，在定电流操作下，蓝光与红光发光二极管的等效电阻下降约7～8％的幅度。综上所述，因为红光及蓝光发光二极管的光电特性对温度的依存度不同，从操作初始至到达稳定状态的这段期间红/蓝光输出功率比例变动的不良现象便会发生。当发光元件由红光及蓝光发光二极管所组成的暖白光发光元件应用在照明领域上时，亦因红光及及蓝光发光二极管的热冷系数不同，使照明系统于点亮初始至穏定时出现光的颜色有一不稳定的问题，引起使用上的不便。
因此，如何使发光二极管照明系统于温度变化时不产生过大的光色变化，实为技术发展上一重要课题。
发明内容
本发明的一方面在于提供一种发光元件包含一发光二极管群组，包含复数发光二极管单元彼此电性连接；一温度补偿元件电性连接于所述的发光二极管群组；其中，所述的发光元件于操作时，发光二极管群组的接面温度自一第一温度上升至一第二温度，通过所述的温度补偿元件使得流通过所述的发光二极管群组的电流值于所述的第二温度时大于所述的第一温度时的电流值。
附图说明
图1为接面温度对发光元件的光电特性的影响曲线图。
图2为符合本发明发光元件的第一实施例示意图。
图3为符合本发明发光元件的第二实施例示意图。
图4为符合本发明发光元件的第三实施例示意图。
图5为符合本发明发光元件的第四实施例示意图。
图6为符合本发明发光元件的第五实施例示意图。
图7为符合本发明发光元件的发光二极管群组的结构示意图
图8为符合本发明发光元件的结构示意图。
【主要元件符号说明】
200、300、400、500、600：发光元件；
202、502：第一发光二极管群组；
204、503：第二发光二极管群组；
206、506：正温度系的热敏电阻；
208、408：发光二极管单元；
402、700：发光二极管群组；
405、605：负温度系的热敏电阻；
501：载板；
504：第三发光二极管群组；
507：第一发光二极管单元；
508：第二发光二极管单元；
509：电极垫；
510：第一发光模块；
520：第二发光模块；
710：基板；
711：沟渠；
720：n型接触层；
730：n型束缚层；
740：活性层；
750：p型束缚层；
760：p型接触层；
770：连接导线；
780：绝缘层。
具体实施方式
图2所示为本发明的发光元件的第一实施例电路示意图，发光元件200包含一第一发光二极管群组202、一第二发光二极管群组204、以及一具有正温度系数的热敏电阻206。第一发光二极管群组202包含一第一数量彼此串联的发光二极管单元208，第二发光二极管群组204包含一第二数量彼此串联的发光二极管单元208，且第一发光二极管群组202与第二发光二极管群组204电性串联；其中，发光二极管单元208具有一热冷系数不大于0.9、或较佳地不大于0.85、或更佳地不大于0.8，并且包含可发出波长范围位于可见光或不可见光范围的发光二极管，例如包含红光、蓝光、或紫外光波长范围的发光二极管，或由AlGaInP系列材料或GaN系列材料为主的发光二极管。其中热冷系数系指发光二极管的接面温度(Tj)由20℃上升至80℃时，发光二极管于Tj＝80℃的光输出功率与Tj＝20℃的光输出功率的比值。
本实施例中，第二发光二极管群组204与热敏电阻206间为电性并联，第一发光二极管群组202具有一等效内建电阻值R1，第二发光二极管群组204具有一等效内建电阻值R2，热敏电阻206具有一电阻值RPTC，其中R1及R2约随接面温度上升而减小，例如图1所示，当发光二极管单元208为红光或蓝光发光二极管时，Tj由20℃上升至80℃，R1及R2各自约减少7～8％。而具有正温度系数的热敏电阻206的电阻值RPTC会随着温度上升而呈一关系性的上升，例如RPTC会随着温度上升而成线性或非线性关系上升。发光元件200于操作时，一定电流I1，例如为介于20～1000毫安培(mA)，流过第一发光二极管群组202，经过第二发光二极管群组204与热敏电阻206时，分流为流经第二发光二极管群组204的I2以及流经热敏电阻206的I3，其中I1＝I2+I3；此外，跨第二发光二极管群组204二端的电位差等于跨热敏电阻206二端的电位差，即I3*RPTC＝I2*R2，因此，从以上二关系式可得知，流经第二发光二极管群组204的电流I2约与RPTC/(R2+RPTC)成正相关，即I2分别与RPTC呈正相关且与R2呈负相关。本实施例中，当发光元件200于操作时会造成接面温度上升，例如：接面温度由起始操作时的第一温度，例如为20℃上升至一稳定的第二温度，例如为80℃时，热敏电阻206的电阻值RPTC因接面温度上升而随的上升，而第二发光二极管群组204的电阻值R2因接面温度上升而随之减小，因此，在I1为定电流的情形下，通过第二发光二极管群组204的电流I2因而增加，使第二发光二极管群组204的光输出功率随I2增加而提高。换句话说，第二发光二极管群组204的光输出功率可利用RPTC加以控制，以减少第二发光二极管群组204的光输出功率因其热冷系数于接面温度上升时所产生的衰减，达到温度补偿的功能。此外，通过调整第一及第二发光二极管群组所具有的发光二极管单元数量，或挑选适合的温度系数的热敏电阻，也可抵消或控制发光元件其热冷系数受接面温度上升所造成的光输出功率的衰减。本实施例中所公开的热敏电阻206也可如图3所示，同时与第一发光二极管群组202以及第二发光二极管群组204电性并联，使于发光元件的接面温度上升时，通过第一发光二极管群组202以及第二发光二极管群组204的电流较起始温度时为高，亦为本发明可行的变化实施。
请见图4为符合本发明的发光元件的第三实施例电路示意图，发光元件400包含一发光二极管群组402以及一具有负温度系数的热敏电阻405。发光二极管群组402包含彼此串联的多个发光二极管单元408，发光二极管群组402包含可发出波长范围位于可见光或不可见光范围的发光二极管，例如包含红光、蓝光、或紫外光波长范围的发光二极管，或由AlGaInP系列材料或GaN系列材料为主的发光二极管。
本实施例中，发光二极管群组402与热敏电阻405间为电性串联，发光二极管群组402具有一等效内建电阻值R1，热敏电阻406具有一电阻值RNTC；其中R1约随接面温度上升而减小，如图1所示，当发光二极管单元408例如为红光或蓝光发光二极管时，Tj由20℃上升至80℃，R1约减少7～8％。具有负温度系数的热敏电阻405的电阻值RNTC则会随着温度上升而呈一关系性之下降，例如RNTC会随着温度上升而成线性或非线性关系下降。发光元件400于定电压操作时，输入值Vin的定电压使得流过发光二极管群组402的电流I1约介于20～1000毫安培。依据欧姆定律，电流I1与发光元件400的总电阻与输入电压Vin的比值成反比，亦即I1＝Vin/(R1+RNTC)。换句话说，通过发光二极管群组402的电流I1与RNTC及R1成负相关。本实施例中，当发光元件400于操作时会造成接面温度上升，例如：接面温度由起始操作时的第一温度，例如为20℃上升至一穏定的第二温度，例如为80℃时，热敏电阻405的电阻值RNTC及发光二极管群组402的电阻值R1如前述均随温度上升而下降，因此，I1随的上升，使得发光二极管群组402的光输出功率随I1上升而提高。换句话说，发光二极管群组402的光输出功率可利用RNTC加以控制，以减少发光二极管群组402的光输出功率因其热冷系数于接面温度上升时所产生的衰减，达到温度补偿的功能。此外，通过调整发光二极管群组402所具有的发光二极管单元数量，和/或挑选适合的温度系数的热敏电阻，也可减少发光元件因其热冷系数受接面温度上升所造成的光输出功率衰减。
图5所示为符合本发明的发光元件的第四实施例电路示意图，包含一第一发光模块510、一第二发光模块520与第一发光模块510并联连接、以及一具有正温度系数的热敏电阻506与第二发光模块520电性连接；其中，第一发光模块510包含一第一发光二极管群组502，第二发光模块520包含一第二发光二极管群组503及一第三发光二极管群组504。第一发光二极管群组502包含一第一数量彼此串联的第一发光二极管单元507，第二发光二极管群组503包含一第二数量彼此串联的第二发光二极管单元508，第三发光二极管群组504包含一第三数量彼此串联的第二发光二极管单元508；其中，热敏电阻506与第三发光二极管群组504电性并联，并且与第二发光二极管群组503电性串联。其中，第一发光模块510或第一发光二极管单元507具有一热冷系数约大于0.85；第二发光模块520或第二发光二极管单元508具有一热冷系数小于第一发光模块510或第一发光二极管单元507，例如热冷系数小于0.85，或较佳地小于0.8。在本实施例中，第一发光二极管单元包含热冷系数约为0.88的蓝光发光二极管；第二发光二极管单元包含热冷系数约为0.63的红光发光二极管，但并不以此为限，也可包含其他可发出可见光波长或不可见光波长范围的发光二极管，例如绿光、黄光、或紫外光波长范围的发光二极管，或由AlGaInP系列材料或GaN系列材料为主的发光二极管。
本实施例中，第三发光二极管群组504与热敏电阻506间为电性并联，第二发光二极管群组503具有一等效内建电阻值R1，第三发光二极管群组504具有一等效内建电阻值R2，热敏电阻506具有一电阻值RPTC，其中R1及R2约随接面温度上升而减小，如图1所示，当第二发光二极管单元为红光或蓝光发光二极管时，R1及R2各自约减少7～8％；而具有正温度系数的热敏电阻506其电阻值RPTC会随着温度上升而呈一关系性的上升，例如RPTC会随着温度上升而成线性或非线性关系上升。发光元件500于操作时，一定电流I0分流为流过第一发光模块510的I1以及第二发光模块520的I2，经过第二发光模块520的第三发光二极管群组504与热敏电阻506时，分流为流经第三发光二极管群组504的I3以及流经热敏电阻506的I4，其中I2＝I3+I4；又跨第三发光二极管群组504二端的电位差等于跨热敏电阻506二端的电位差，即I4*RPTC＝I3*R2，因此，从以上二关系式可得知，流经第三发光二极管群组504的电流I3约与RPTC/(R2+RPTC)成正相关，即I3分别与RPTC呈正相关，以及与R2呈负相关。本实施例中，当发光元件500于操作时会造成接面温度上升，例如：接面温度由起始操作时的第一温度，例如为20℃上升至一穏定的第二温度，例如为80℃时，热敏电阻506的电阻值RPTC因接面温度上升而随的上升，且第三发光二极管群组504的电阻值R2因接面温度上升而随之减小，因此，I3随接面温度上升而上升，使得第三发光二极管群组504的光输出功率随I3上升而提高。在本实施例中，因为第一发光模块510的热冷系数较第二发光模块520大，因此第二发光模块520的光输出功率随接面温度上升而衰退的幅度大于第一发光模块510，造成第一发光模块510与第二发光模块520发出的混合光色随接面温度上升而往第一发光模块510的光色偏移。然而通过控制热敏电阻506的RPTC，可以减少第二发光模块520的光输出功率因其热冷系数于接面温度上升时所产生的衰减，达到温度补偿的功能。此外，通过调整第二及第三发光二极管群组所具有的发光二极管单元数量，或挑选适合的温度系数的热敏电阻，也可抵消或控制第二发光模块因其热冷系数受接面温度上升所造成的光输出功率的衰减。再者，本实施例中所公开的热敏电阻506可同时与第二发光二极管群组503以及第三发光二极管群组504电性并联，使于发光元件的接面温度升高时，通过第二发光二极管群组503以及第三发光二极管群组504的电流较起始温度时为高，亦为本发明可行的变化实施。本发明的第五实施例如图6所示，与第四实施例的差异在于第二发光模块520与一具有负温度系数的热敏电阻605串联连接，并且基于类似于第三实施例及图4的相关描述，达到本发明的温度补偿功用。此外，前述第四及第五实施例的第一及第二发光模块并不限于并联连接，也可以各自连接至一独立控制的电流源或电压源，亦属于本发明之一部分。
图7所示为本发明前述各实施例所揭示的发光二极管群组的结构示意图。发光二极管群组700包括一基板710以及多个发光二极管单元共同地以一阵列形式成长或接合于基板710上，并以沟渠711隔开。各该多个发光二极管单元包括一n型接触层720形成于基板710之上、一n型束缚层(claddinglayer)730形成于接触层720之上、一活性层(activelayer)740形成于n型束缚层730之上、一p型束缚层750形成于活性层740之上、一p型接触层760形成于p型束缚层750之上、一连接导线770电性连接各发光二极管单元的n型接触层720至另一发光二极管单元的p型接触层760以形成一串联结构、以及一绝缘层780形成于沟渠711与连接导线770之间，以防止不避要的短路路径。在本发明的一实施例，发光二极管群组700包含多个发光二极管单元共同形成于单一基板的高压阵列单芯片，例如为发出蓝光的蓝光高压阵列单芯片或发出红光的红光高压阵列单芯片，其操作电压取决于串联的发光二极管单元的数量。其中，所述的n型或p型接触层、n型或p型束缚层、或活性层的材料包含III-V族化合物，例如包含AlxInyGa(1-x-y)N或AlxInyGa(1-x-y)P，其中，0≤x，y≤1；(x+y)≤1。
图8为图6所示的本发明发光元件第四或第五实施例的结构示意图，其中发光元件600的第一发光模块510包含如图7所揭示的蓝光高压阵列单芯片，以及第二发光模块520包含如图7所揭示的红光高压阵列单芯片电性连接于一热敏电阻605；二个电极垫509电性连接至第一发光模块510及第二发光模块520并用以接收一电源信号；其中，第一发光模块510、第二发光模块520、热敏电阻605、以及电极垫509共同形成于一载板501上。
本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。

Claims (8)

1.一发光元件，包含：
一第一发光二极管群组具有一第一热冷系数，包含第一数量的第一发光二极管单元彼此电性连接，其中，该第一发光二极管群组可发出波长范围位于红光的光线，且该第一热冷系数不大于0.85，该发光元件于操作时，该第一发光二极管群组的接面温度自一第一温度上升至一第二温度；
一第二发光二极管群组，具有一第二热冷系数大于该第一热冷系数，包含第二数量的第二发光二极管单元彼此电性连接，该第二发光二极管群组包括一基板，并且该第二数量的第二发光二极管单元共同形成于该基板上以形成一高压单芯片；
一第三发光二极管群组具有该第一热冷系数，包含第三数量的第一发光二极管单元彼此电性连接，以及
一温度补偿元件与该第一发光二极管群组电性并联，并且与该第三发光二极管群组电性串联，使该第一发光二极管群组于该第二温度的电流值大于该第一温度时的电流值，其中
通过调整该第一发光二极管群组所具有的该第一数量的第一发光二极管单元的数量和该第三发光二极管群组所具有的该第三数量的第一发光二极管单元的数量，来控制该发光元件热冷系数受接面温度上升造成的光输出功率的衰减。
2.如权利要求1所述的发光元件，该温度补偿元件为一正温度系数的热敏电阻。
3.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一发光二极管群组包含一基板，并且这些第一发光二极管单元为共同形成于该基板上以形成一高压单芯片。
4.如权利要求1所述的发光元件，还包含一载板，并且该第一发光二极管群组形成于该载板上。
5.如权利要求4所述的发光元件，该第一发光二极管群组和该第二发光二极管群组形成于该载板上。
6.如权利要求5所述的发光元件，该第二热冷系数不小于0.85。
7.如权利要求5所述的发光元件，其中该第一发光二极管群组及该第二发光二极管群组电性连接。
8.如权利要求4所述的发光元件，其中该温度补偿元件系形成于该载板上。
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