TWI411122B - 包括發光二極體與四層半導體分流裝置之半導體發光電路 - Google Patents

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    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Description

包括發光二極體與四層半導體分流裝置之半導體發光電路
本發明係關於半導體電路，尤其關於半導體發光電路。
半導體發光電路可包括一或多個半導體發光二極體(LED)。如同熟習此項技術者所熟知的，一發光二極體包括複數層半導體層，該等半導體層經組態以在受到能量供給時發光。
為了增加一半導體發光電路的光輸出，希望有在電路中提供多個LED。多個LED可被並聯連接。但是，為了要減少或防止其中一個LED獨佔(hogging)電流，希望提供電壓匹配的LED。可惜，電壓匹配的LED可增加半導體發光電路的成本。在其他的半導體發光電路中，複數個LED係以一串聯LED串方式予以連接。但是，如果在一串中的一LED失效並且成為一開放電路，則整個LED串可能由於開放電路而造成無法發光。
吾人已知，跨LED分流連接一或多個Zener來提供靜電放電(ESD)保護。例如，請參閱美國專利申請公開案第US 2001/0032985 A1號(Bhat等人提出)和第2002/0139987 A1號(Collins,III等人提出)，以及歐洲專利申請案第EP 1 020 935 A2號(Maeda等人提出)。
根據本發明範例性具體實施例的半導體發光電路包括：複數個半導體發光二極體，該複數個半導體發光二極體串聯連接於一對輸入端子之間；以及複數個四層半導體裝置，該複數個四層半導體裝置之一個別四層半導體裝置係跨該複數個半導體發光二極體之一個別半導體發光二極體予以連接。如同熟習此項技術者所熟知的，四層半導體裝置可包括一種pnpn結構或一npnp結構，此結構能提供至少三個pn接面，而且可高效率阻斷通過兩個端子的電流，除非藉由一小信號予以開啟。四層半導體裝置包括兩端子式四層半導體裝置，諸如Shockley二極體，或三個或三個以上端子式四層半導體裝置，諸如半導體控制整流器(SCR)或閘流體。個別的四層半導體裝置可跨一個別LED予以並聯連接，使得一個別LED的一正極連接至一個別四層半導體裝置的一正極。在一些具體實施例中，可提供一單一半導體LED及跨該半導體LED連接的一或多個四層半導體裝置。
在一些具體實施例中，四層半導體裝置具有一約等於LED正向電壓的峰值正向電壓。在一些具體實施例中，LED和四層半導體裝置包括一相同的半導體材料，諸如矽、碳化矽和/或氮化鎵等組成。在一些具體實施例中，個別LED和四層半導體裝置被整合在共同半導體基板上。而且，在一些具體實施例中，一連接至該對輸入端子。在其他的具體實施例裡，一連接至該對輸入端子，並且響應跨該等輸入端子的一電壓改變，以增加一通過該半導體發光二極體提供的一電流。
在其他具體實施例中，一種半導體發光電路包括：複數個半導體發光二極體，其具有二極體正向電壓，該複數個半導體發光二極體串聯連接於一對輸入端子之間；以及複數個半導體分流裝置，其具有一約等於該二極體正向電壓的分流裝置正向電壓。該複數個半導體分流裝置之一個別半導體分流裝置係跨該複數個半導體發光二極體之一個別半導體發光二極體予以連接。該半導體分流裝置可是如上文所述的一四層半導體裝置，可如上文所述的予以連接和/或整合，並且可採用如上文所述的一恆定電流源或一電源。
根據本發明其他具體實施例的半導體發光電路包括：一LED，其具有一個二極體正極和一個二極體負極；以及一半導體分流裝置，其具有一分流裝置正極和一分流裝置負極。該半導體分流裝置不發光並且係並聯連接於該LED，使得該LED正極連接至該分流裝置正極，並且該LED負極連接至該分流裝置負極。一直流(DC)電源供應器係跨該二極體正極/分流裝置正極與該二極體負極/分流裝置負極予以連接。亦可提供四層半導體裝置、連接、整合、恆定電流源和/或一電源，如上文所述。
現在將在下文參考附圖(以做例證的具體實施例)更全面地敘述本發明。此項發明可用許多不同形式予以具體化，但不應理解為限制於本文提到的具體實施例。而是，提供這些具體實施例以徹底且完整發表本發明，並且藉由舉實例而言且非限制性地，將本發明的觀念完整傳達給熟悉此項技術者。
可理解地，當一元件聲稱係"耦合至"、"連接至"或"響應於"另一元件時，該元件可能係直接"耦合至"、"連接至"或"回應於"另一元件，或者也可能有中介元件存在。相反地，當一元件聲稱係"直接耦合至"、"直接連接至"或"直接響應於"另一元件，這表示沒有中介元件的存在。整份說明書中相似的數字代表相似的元件。。在本文中，用詞「及/或」包括一或多項相關聯之所列出項目的任何或所有組合且可能簡寫成"/"。
同樣應明白，雖然本文中使用用詞「第一」、「第二」等等來描述各種元件，但是彼等元件不應受限於彼等用詞。等用詞僅用來區別一元件與另一元件。因此，下文所論述的一第一端子可被稱為一第二端子，而不會脫離本發明之講授。
本文中使用的術語係僅用於描述特定具體實施例之用途，並且非預定限制本發明。在本文中，單數形式「一」及「該」預定也包括複數形式，除非內容以其他方式明確表明。應進一步明白，當本文中使用用詞「包括」及/或「包含」時，係用來明確說明所述特徵、實體、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但不排除一或一個以上其他特徵、實體、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或附加。
除非以其他方式定義，否則本文中使用的所有用詞(包括技術及科學用詞)具有相同於熟悉本發明所屬之技術的一般技術者所通常理解之意義。應進一步明白，用詞(諸如常用字典中所定義之用詞)應被解釋為具有與相關技術背景中之意義一致的意義，並且不應以理想化或過度形式意義予以解釋，惟本文中明確定義除外。
圖1是根據本發明的各項具體實施例的半導體發光電路的電路圖。如圖1所示，一半導體發光電路包括串聯連接於一對輸入端子110a和110b之間的複數個LED 100。如同熟習此項技術者所熟知的，一LED包括一正極A和一負極K，並且串聯連接造成介於該對輸入的端子110a和110b之間的前一LED 100的一負極K連接至一後繼LED 100的一正極A。當一適當的交流(AC)和/或直流(DC)電源供給能量時，LED發射可見光或不可見光(譬如紫外線或紅外線)光譜之光120。
繼續參照圖1，提供複數個四層(即，三個或三個以上pn接面)半導體裝置130，該複數個四層半導體裝置130之一個別四層半導體裝置130係跨該複數個LED 100之一個別LED 100予以連接。圖1中繪示pnpn四層半導體裝置130。然而可理解地，亦可提供相反導電率的npnp四層半導體裝置。在其他具體實施例中，提供一單一發光二極體100和一單一四層半導體裝置130。在其他的具體實施例中，有一單獨發光二極體100和一單獨的四層半導體裝置130。可理解的是，本發明的具體實施例亦考量介於發光二極體100與四層半導體裝置130之間非一對一的電路連接。例如，兩個或兩個以上四端子型半導體裝置130可跨一單一發光二極體100予以連接，反之亦然。
可能依據本發明各項具體實施例來提供四層半導體裝置的各項具體實施例。例如，可提供兩端子式和/或三端子式四層半導體裝置。因此，例如，在圖2中，四層半導體裝置包含複數個Shockley二極體230。如同熟習此項技術者所熟知的，一Shockley二極體230包括一正極A和一負極K。當相對於負極K加正偏壓於正極A時，裝置被正向偏壓。然而，可就兩種獨立狀態來考量二極體的正向偏壓條件：高抗阻或正向阻斷狀態；及低抗阻或正向傳導狀態。此裝置在峰值正向電壓Vp 時從阻斷狀態切換成傳導狀態。
再者，如同圖3所示，也可使用一種三端子式四層半導體裝置(諸如閘流體，亦稱為SCR)330。如同熟習此項技術者所熟知的，閘流體330類似於Shockley二極體230，惟包括一第三導線(閘極)除外。當以正向阻斷模式加偏壓予閘流體時，供應至閘極的一小電流可起始切換成傳導狀態。因此，圖3的閘流體330維持關閉，直到一對應的LED 100失效，此時開啟該閘流體330。如同熟習此項技術者所熟知的，在此所使用的一"三端子式四層半導體裝置"也包括一種具有三個以上端子的四層或四層以上半導體裝置，譬如一種多閘極式閘流體。同樣可以理解的是，在四層半導體裝置、Shockley二極體和/或閘流體的各種組合和次組合中，可組合圖1－3的具體實施例。
仍然是參照圖1到3，在一些具體實施例中，複數個四層半導體裝置130、230和/或330係跨該複數個LED 100之一個別LED 100予以並聯連接，使得一LED的一正極100A連接至一個別四層半導體裝置130、230和/或330的一正極130A、230A和/或330A。在其他具體實施例中，該複數個LED 100具有二極體正向電壓，而該複數個四層半導體裝置130、230和/或330具有一約等於該二極體正向電壓的峰值正向電壓Vp 。在其他具體實施例中，該複數個半導體發光二極體100及該複數個四層半導體裝置130、230和/或330包含一種相同的半導體材料。例如，可使用矽半導體技術、碳化矽半導體技術、氮化鎵半導體技術和/或其組合(諸如碳化矽上覆氮化鎵技術或矽上覆氮化鎵技術)，來製造LED 100及四層半導體裝置130、230和/或330。在一些具體實施例中，至少一LED 100及至少一四層半導體裝置被整合在共同半導體基板上。但是，在其他具體實施例中，可提供相同半導體材料的不同基板。藉由使用相同半導體材料，可使二極體正向電壓與四層半導體裝置峰值正向電壓大約相等。在其他具體實施例中，可使用不同的半導體材料，並且可使用其他技術來使正向電壓大約相等，若希望如此做。在本文中，"大約相等"意指在約10%內。
再參照圖1，在一些具體實施例中，一恆定電流源150連接至該對輸入端子110a、110b。可藉由經組態用於連接AC和/或DC電源的傳統恆定電流驅動器電路來具體化恆定電流源150。在其他具體實施例中，如圖2所示，一電源250連接至該對輸入端子110a、110b，並且響應跨輸入端子110a、110b的一電壓改變，以增加通過半導體發光二極體100提供的一電流。可藉由經組態用於連接AC和/或DC電源的傳統電力驅動器電路及控制器來具體化電源250。可以被熟習此項技術者所理解的是，電流源150或250可與圖1－3的任意具體實施例一起使用。
圖4是根據本發明其他具體實施例的半導體發光電路的一電路圖。在圖4中，提供複數個非發光半導體分流裝置(SSD)430，該複數個非發光半導體分流裝置(SSD)430之一個別非發光半導體分流裝置(SSD)430係跨該複數個LED100之一個別LED 100予以連接。如圖4所示，在這些具體實施例中，半導體分流裝置430的正向電壓Vf 與LED 100的正向電壓Vf 大約相等。在本文中，"大約相等"意指在約10%內。半導體分流裝置430可包括四層半導體裝置130(諸如Shockley二極體230或閘流體330)、二層半導體裝置(諸如二極體)和/或三層半導體裝置(諸如電晶體)。亦可使用二、三或三個以上端子式裝置。亦如圖4所示，一個別SSD 430並聯連接於一個別LED 100，使得彼等二個裝置的正向電壓Vf 係以並聯(而非反並聯)擴展，如圖4中的＋和－號所示。
圖5是根據本發明的其他的具體實施例的半導體發光電路的一電路圖。在這些具體實施例中，具有一分流裝置正極530A和一分流裝置負極530K的一半導體分流裝置550並聯連接於一半導體LED 100，使得LED正極100A連接至分流裝置正極530A，而LED負極100K連接至分流裝置負極530K。如圖所示，跨二極體正極/分流裝置正極與二極體負極/分流裝置負極連接一直流(DC)電源550。如同上述所敘述的，可使用除一對一外的連接。也可以理解的是，可互相組合使用圖4和5的具體實施例，並且可在圖1到3的具體實施例之各種組合/次組合中使用圖4和5的具體實施例。
現在將提出本發明各種具體實施例的額外討論。當LED被組態成一串聯LED串時，本發明的具體實施例可放置一並聯於一LED的"分流裝置"。以此方式，如果一LED(變成一開放電路)，則該LED上的其餘LED仍能發光。可抱括一電源250和/或其他控制電路，用以偵測失效的LED，並且藉由改變對LED的驅動來補償亮度。以二、三、四或四個以上端子組態，分流裝置可包括四層半導體裝置(圖1到3)，諸如Shockley二極體(圖2)或閘流體(圖3)。
更具體來說，在許多LED應用上，並聯佈線組態是用來規避潛在的一LED變成一開放電路的失效模式。但是，當並聯佈線時可能希望使LED電壓匹配，以減少或防止電流獨位和/或不均勻的照明。這可非所要增加成本。而且，為了獲得高效率電流驅動器，可能希望使用高電壓串。因此，為了這些和/或其他理由．可能希望以高效率LED為基礎的照明系統使用LED串聯連接之LED所提供的高電壓串。
如果一或多個LED失效時，圖1到3的四層半導體分流裝置不需要增加很多電壓至串聯LED串。例如，為了ESD保護，傳統上以反並聯配置使用一Zener二極體，而擊穿電壓為5V或7V(典型朲於LED正向電壓)。於是，如果LED失效，則增加至LED串的電壓量等於Zener擊穿電壓減已變成開放電路之LED的正向電壓相等。相反地，在本發明的一些具體實施例中，圖1到3的四層半導體裝置可提供一開通傳導正向電壓，其大約等於失效LED的原始正向電壓。因此，可藉由不顯著降低LED串的正向電壓並且使讓驅動器以所要操作位準運作，使驅動器電路維持高效率。
在一些具體實施例中，如在圖1中，藉由用一恆定電流源進行驅動，可減少正向電壓的改變或防止正向電壓改變影響在LED串中LED的亮度。在其他的具體實施例中，正向電壓的變化可予以偵測並且用來增加通過LED串的電流，使光回到原始值，如圖2所示。可增加電流方式為，以類比方式增加一電流源的電流輸出、增加一脈衝寬度調變系統的開啟時間、和/或其他傳統的技術。舉例來說，此技術可運用在交通燈號，或需要相同的一致總流明輸出，並且如果使用混合式光學元件來混合來自少數強光源的光，則可能特別希望運用此技術。
而且，在一些具體實施例中，如圖4中所示，可跨一個別的LED來提供一半導體分流裝置，其中半導體分流裝置並聯(而非反並聯)連接至LED，使得半導體分流裝置與LED的正向電壓在同樣效用下擴展。這些具體實施例可與Schottky二極體相對照，Schottky二極體係以傳統反並聯方式連接，使得Schottky二極體與LED的正向電壓在相反效用下擴展，但是逆擊穿電壓係以相同於LED的效用下擴展。而且，在圖5的具體實施例中，一半導體分流裝置可並聯連接於一個別LED，所以當使用一DC電源，正極可連接在一起，而負極也可連接在一起。再次，這可與傳統的Schottky二極體ESD保護相對照，其中當使用一DC電源時，Schottky二極體反並聯連接於二極體。
在附圖和說明書中，提出本發明所揭示之具體實施例僅，雖然使用特定的用詞，但是彼等用詞係以泛用且和描述性意義予以使用，而非限制目的。在以下的申請專利範圍中提出本發明的範圍。
100．．．LED
110．．．輸入端子
120．．．可見光或不可見光
130．．．半導體裝置
150．．．電流源
230．．．Shockley二極體
250．．．電源
330．．．閘流體
430．．．非發光半導體分流裝置(SSD)
A．．．正極
K．．．負極
圖1到圖5係根據本發明的各種具體實施例的半導體發光電路之電路圖。
100．．．LED
110．．．輸入端子
120．．．可見光或不可見光
130．．．半導體裝置
150．．．電流源
A．．．正極
K．．．負極

Claims (31)

  1. 一種半導體發光電路，包括：複數個半導體發光二極體，該複數個半導體發光二極體串聯連接於一對輸入端子之間；以及複數個四層npnp或pnpn半導體裝置，該複數個四層npnp或pnpn半導體裝置之一個別四層npnp或pnpn半導體裝置係跨該複數個半導體發光二極體之一個別半導體發光二極體予以連接，其中該複數個四層npnp或pnpn半導體裝置係跨該複數個半導體發光二極體之一個別半導體發光二極體予以並聯連接，使得一個別半導體發光二極體的一正極連接至一個別四層npnp或pnpn半導體裝置的一正極。
  2. 如請求項1之電路，其中該複數個四層npnp或pnpn半導體裝置包括複數個兩端子式和/或三端子式四層npnp或pnpn半導體裝置。
  3. 如請求項1之電路，其中該複數個四層npnp或pnpn半導體裝置包括複數個Shockley二極體和/或複數個閘流體。
  4. 如請求項1之電路，其中該複數個半導體發光二極體具有二極體正向電壓，並且其中該複數個四層npnp或pnpn半導體裝置具有一約等於該二極體正向電壓的峰值正向電壓。
  5. 如請求項1之電路，其中該複數個半導體發光二極體及該複數個四層npnp或pnph半導體裝置包括一相同的半導體材料。
  6. 如請求項1之電路，其中一個別半導體發光二極體與一個別四層npnp或pnpn半導體裝置被整合在共同半導體基板上。
  7. 如請求項1之電路，進一步包括一恆定電流源，該恆定電流源連接至該對輸入端子。
  8. 如請求項1之電路，進一步包括：一電源，該電源連接至該對輸入端子，並且響應跨該等輸入端子的一電壓改變，以增加一通過該半導體發光二極體提供的一電流。
  9. 一種半導體發光電路，包括：複數個半導體發光二極體，其具有二極體正向電壓，該複數個半導體發光二極體串聯連接於一對輸入端子之間；以及複數個半導體裝置，其具有一約等於該二極體正向電壓的裝置正向電壓，該複數個半導體裝置之一個別半導體裝置係跨該複數個半導體發光二極體之一個別半導體發光二極體予以連接，其中該複數個半導體裝置係跨該複數個半導體發光二極體之一個別半導體發光二極體予以並聯連接，使得一個別半導體發光二極體的一正極連接至一個別半導體裝置的一正極。
  10. 如請求項9之電路，其中該複數個半導體裝置包括複數個兩端子式和/或三端子式四層半導體體裝置。
  11. 如請求項9之電路，其中該複數個半導體裝置包括複數個Shockley二極體和/或複數個閘流體。
  12. 如請求項9之電路，其中該複數個半導體發光二極體及該複數個半導體裝置包括一相同的半導體材料。
  13. 如請求項9之電路，其中一個別半導體發光二極體與一個別半導體裝置被整合在共同半導體基板上。
  14. 如請求項9之電路，進一步包括一恆定電流源，該恆定電流源連接至該對輸入端子。
  15. 如請求項9之電路，進一步包括：一電源，該電源連接至該對輸入端子，並且響應跨該等輸入端子的一電壓改變，以增加一通過該半導體發光二極體提供的一電流。
  16. 一種半導體發光電路，包括：一半導體發光二極體，其具有一個二極體正極和一個二極體負極；一半導體裝置，其具有一裝置正極和一裝置負極，並且該半導體裝置並聯連接於該半導體發光二極體，使得該發光二極體正極連接至該裝置正極，並且該發光二極體負極連接至該裝置負極；以及一直流(DC)電源供應器，其係跨該二極體正極/裝置正極與該二極體負極/裝置負極予以連接。
  17. 如請求項16之電路，其中該半導體裝置包括一種兩端子式和/或三端子式四層半導體裝置。
  18. 如請求項16之電路，其中該半導體裝置包括一Shockley正極和/或一閘流體。
  19. 如請求項16之電路，其中該半導體發光二極體具有二極 體正向電壓，並且其中該半導體裝置具有一約等於該二極體正向電壓的峰值正向電壓。
  20. 如請求項16之電路，其中該半導體發光二極體及該半導體裝置包括一相同的半導體材料。
  21. 如請求項16之電路，其中該半導體發光二極體與半導體裝置被整合在共同半導體基板上。
  22. 如請求項16之電路，其中該直流(DC)電源供應器係一恆定電流直流(DC)電源供應器。
  23. 如請求項16之電路，其中該直流(DC)電源供應器響應跨該半導體發光二極體的一電壓改變，以增加一通過該半導體發光二極體提供的一電流。
  24. 一種半導體發光電路，包括：一半導體發光二極體；以及一四層npnp或pnpn半導體裝置，該四層npnp或pnpn半導體裝置係跨該半導體發光二極體予以連接，其中該四層npnp或pnpn半導體裝置係跨該半導體發光二極體予以並聯連接，使得該半導體發光二極體的一正極連接至該四層npnp或pnpn半導體裝置的一正極。
  25. 如請求項24之電路，其中該四層npnp或pnpn半導體裝置包括一兩端子式和/或三端子式四層npnp或pnpn半導體裝置。
  26. 如請求項24之電路，其中該四層npnp或pnpn半導體裝置包括一Shockley二極體和/或一閘流體。
  27. 如請求項24之電路，其中該半導體發光二極體具有二極 體正向電壓，並且其中該四層npnp或pnpn半導體裝置具有一約等於該二極體正向電壓的峰值正向電壓。
  28. 如請求項24之電路，其中該半導體發光二極體及該四層npnp或pnpn半導體裝置包括一相同的半導體材料。
  29. 如請求項24之電路，其中該半導體發光二極體與該四層npnp或pnpn半導體裝置被整合在共同半導體基板上。
  30. 如請求項24之電路，進一步包括一恆定電流源，該恆定電流源係跨該半導體發光二極體予以連接。
  31. 如請求項24之電路，進一步包括：一電源，該電源係跨該半導體發光二極體予以連接，並且響應跨該半導體發光二極體的一電壓改變，以增加一通過該半導體發光二極體提供的一電流。
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