TWI451555B - 整流單元、發光二極體元件及其組合 - Google Patents

Description

整流單元、發光二極體元件及其組合

本發明係關於一種發光二極體元件及其組合，尤其是關於一種具有高發光效率及高散熱效率之發光二極體元件及其組合。

固態發光元件中之發光二極體(Light Emitting Diode；LED)具有低耗電量、低發熱量、操作壽命長、耐撞擊、體積小、反應速度快、以及可發出穩定波長的色光等良好光電特性，因此常應用於家電、儀表之指示燈及光電產品等領域。隨著光電科技的進步，固態發光元件在提升發光效率、使用壽命以及亮度等方面已有長足的進步。

然而，習知LED必須以直流電(DC)驅動，所以一般在與交流電(AC)之間必須要有一個轉換器，但轉換器體積大、重量重，不但增加成本，於電力轉換時亦多有耗損，在價格上更無法與現有的光源競爭。

從LED的技術發展至今，一種改善LED無法在交流電源正負半波信號輸入時皆可發光的橋式交流電發光二極體結構從而產生。如第1圖及第2圖所示，其主要利用惠斯登電橋(Wheatstone Bridge)的設計概念，減少了轉換器的需求。此外，發光二極體與整流二極體之相似部分結構更可合併於相同製程中製作，達到節省元件整流部分的空間，節省元件製作步驟，及增加元件發光效率的目的。

如第1圖及第2圖所示，第2圖為一橋式交流電發光二極體元件之電路設計圖100’，而第1圖為依據電路設計圖100’所製作的發光二極體元件100的結構圖。發光二極體元件100包括一基板10，一形成在基板10上的整流單元11，一第一導電端點12以及一第二導電端點13，分別接收由外部傳輸的電源訊號。其中，整流單元11包含多個依惠斯登電橋電路結構排列的發光二極體群組101、102、103，設置在第一導電端點12與第二導電端點13之間。當外部電源輸入交流電訊號時，依據電路的設計，在正半波訊號時，第一發光二極體群組101會發光；在負半波訊號時，第二發光二極體群組102會發光；而不論在正半波訊號以及負半波訊號時，於惠斯登電橋電路中央的第三發光二極體群組103皆會發光。

為了達到更高的元件發光效率，在元件配置上，會相對增加發光二極體元件中央全時發光的第三發光二極體群組103的數目；然而，從電路設計上來看，不論中央全時發光的第三發光二極體群組103的數目為多少，元件兩側的整流第一及第二發光二極體群組101、102彼此之間還是需要電性連結。

如第3圖所示，當增加發光二極體元件300中央全時發光的第三發光二極體群組103的數目時，發光二極體群組101、102或103的結構皆會因此做出相對應的變形。然而，這樣子的變形，除了會使發光二極體變得狹長而使原有發光面積減少外，由於發光二極體彼此之間電性連結的關係不變，若要在整體結構上作調整仍有限制。

根據以上描述，在維持兩旁整流第一及第二發光二極體群組101、102的原有發光面積的條件之下，為了同時增加元件發光效率，本發明提出另外一種電路設計以及依據此電路設計的元件配置方式。

本發明的一實施例係提供一種發光二極體元件，包括一基板；一第一導電端點與一第二導電端點，接收交流電源訊號；一第一發光二極體群組，設置於基板上，包含複數個發光二極體，電性連接於第一導電端點與第二導電端點，於交流電源正半波訊號的時候發光；一第二發光二極體群組，設置於基板上，包含複數個發光二極體，電性連接於第一導電端點與第二導電端點，於交流電源負半波訊號的時候發光；一第三發光二極體群組，設置於基板上，包含至少一個發光二極體，電性連接於第一發光二極體群組與第二發光二極體群組，於交流電源正半波訊號及負半波訊號的時候發光；其中，於第一發光二極體群組中，至少一個發光二極體上具有大於三個導電連接點，用以電性連接至至少第二發光二極體群組以及第三發光二極體群組。

依照本發明之一實施例，上述具有大於三個導電連接點的發光二極體具有四個導電連接點。

依照本發明之一實施例，發光二極體元件更包含與具有大於三個導電連接點的發光二極體的導電連接點個數相同的導電架橋，分別與上述導電連接點直接連接，上述導電架橋中至少一個的一端則與發光二極體元件外的一導電結構直接連接。

依照本發明之一實施例，發光二極體元件更包含與具有大於三個導電連接點的發光二極體的導電連接點個數相同的導電架橋，分別與上述導電連接點連接，其中至少一個導電架橋的一端與第三發光二極體群組中的一個發光二極體直接連接。

本發明的另一實施例係提供一種發光二極體元件組合，包含複數個上述的發光二極體元件，設置在同一個基板上。

依照本發明之另一實施例，其中，上述發光二極體元件組合的基板包含至少三個側邊，設置在基板上的複數發光二極體元件之中，至少一半的發光二極體元件中的第三發光二極體群組位於基板的上述側邊。

本發明的另一實施例係提供一種整流單元，包含一基板；一第一導電端點與一第二導電端點，以接收交流電源訊號；一第一發光二極體組，設置於基板上，包含複數個發光二極體，電性連接於第一導電端點與第二導電端點，於交流電源正循環或負循環的時候發光；一第二發光二極體組，設置於基板上，包含複數個發光二極體，電性連接於第一導電端點與該第二導電端點，於交流電源正循環及負循環的時候發光；其中第一發光二極體組包含至少一個發光二極體未與第二發光二極體組中的任一發光二極體相鄰。

依照本發明上述實施例之整流單元，上述整流單元具有一發光二極體具有大於三個的導電連接點。

請參照第4圖與第5圖，第4圖為依據本發明一實施例之電路設計圖400’，而第5圖為依據電路設計圖400’所設計發光二極體元件400的結構圖。單就電路設計而言，第2圖與第4圖在上是等效的，然而，就元件結構而言，則有所不同。以下將詳細介紹發光二極體元件400的結構。

發光二極體元件400包括一基板40，一形成在基板40上的整流單元41，一第一導電端點42以及一第二導電端點43，分別接收由外部傳輸的電源訊號。其中，整流單元41包含多個依惠斯登電橋電路結構排列的發光二極體群組401、402、403，電路連結於第一導電端點42與第二導電端點43之間。當外部電源輸入交流電訊號時，依據電路的設計，在正半波訊號時，第一發光二極體群組401會發光；在負半波訊號時，第二發光二極體群組402會發光；而不論在正半波訊號以及負半波訊號時，第三發光二極體群組403皆會發光。

於本實施例之發光二極體元件400中，第一及第二發光二極體群組401、402配置於全時發光的第三發光二極體群組403的同一側，而在同一側的第一及第二發光二極體群組401、402為了同時與全時發光的第三發光二極體群組403以及外部電源電性連結，在結構設計上多了一個具有四個導電連接點的發光二極體401’。然而，並不以四個為限。也就是說，在第5圖中，第一及第二發光二極體群組401、402與全時的第三發光二極體群組403分別設置在基板40的兩側，而第一及第二發光二極體群組401、402中有一個發光二極體401’具有四個導電連接點411、412、413、414。根據本實施例，四個導電連接點411、412、413、414分別電性連接至第一發光二極體群組401、第二發光二極體群組402、第三發光二極體群組403以及整流單元41外的外部導電結構。

在本實施例中，發光二極體401’之導電連接點411、412、413、414各自透過一導電結構與其他的發光二極體電性連接，而導電結構較佳係為由導體所構成的導電架橋B。在發光二極體單元401’中，四個導電連接點點411、412、413、414分別與四個導電架橋直接連接。其中，三個導電架橋B的一端各自連接至三個導電連接點411、413、414，另一端則分別直接連接至發光二極體元件中其他三個不同的發光二極體402’、402”、403’。此外，與第四個導電連接點412直接連接的導電架橋B’則屬於外部導電架橋，其另一端則與發光二極體元件外的導電結構直接連接(圖未示)。透過外部導電架橋B’，可以與其他在同一基板或不同基板上屬於不同整流單元的發光二極體元件以串聯、並聯等方式電性連結，或者是與整流單元41外部的電源或元件直接連結，以達到導電的效果。

此外，以半時發光的第一及第二發光二極體群組401、402為一第一發光二極體組，以全時發光的第三發光二極體群組403為一第二發光二極體組時，以第5圖為例，於單一的整流單元41中，第一發光二極體組中四個半時發光的發光二極體401、401’、402’、402”並未皆與全時發光的第二發光二極體組相鄰。其中，發光二極體401、402”與第二發光二極體組中間以發光二極體401’與402’相隔。換言之，全時發光二極體與半時發光二極體在同一個整流單元中的排列方式為各自分列於整流單元的兩側。

在第5圖的元件架構之下，增加全時發光的發光二極體群組403中發光二極體的數目時，在發光二極體一側的整流發光二極體群組401及402中發光二極體的結構並不需要做相對應的改變。如第6圖所示，第6圖與第5圖的結構相似，為依據本發明另一實施例所設計之發光二極體元件400”之結構圖，因此相同結構以相同的標號表示。其中，第6圖中全時發光的發光二極體群組403中發光二極體的數目增加為6個。由此結構可見，元件發光效率可以在此發明之下簡單藉由調整全時發光二極體的數目而增加。

接著，請參照第7圖，第7圖所揭露的是複數個如第5圖中整流單元41的組合，在本圖中為六個，但實際可重複之數目不限於此。透過部分整流單元41中具有四個導電連接點的發光二極體401’其中的一個具有外部導電架橋的導電連接點，將複數個整流單元41相互電性連結，於單一基板70上形成一個較大的發光二極體元件組合700。在每一個整流單元41中，根據發光二極體發光的時間長短，可以簡單區分為全時發光二極體與半時發光二極體兩種。其中，第一發光二極體群組401與第二發光二極體群組402屬於半時發光二極體，也就是當外部電源輸入交流電訊號時，在交流電正半波訊號或負半波訊號其中之一時，半時發光二極體會發光；而第三發光二極體群組403則屬於全時發光二極體，當外部電源輸入交流電訊號時，在正半波訊號及負半波訊號時，全時發光二極體皆會發光。由於全時發光二極體的點亮頻率為半時發光二極體的兩倍，相對而言，全時發光二極體會有較多的熱生成。相較於傳統的電路設計圖(如第1圖)而言，依第7圖所示，可以將全時發光的發光二極體403設置於單一整流單元41的一側，應用於本實施例之中，發光二極體元件組合700具有一基板70，當複數個發光二極體元件設置於基板上時，如本實施例所示，所有的發光二極體元件都將全時發光的第三發光二極體群組403設置於基板的外圍區域711，即位於基板70側邊的區域，相對可以使得累積的熱透過基板70的側邊快速的向外部排除，增加元件整體的散熱效果。當然，在設計上，為了電路連結設計的考量，只要將一半以上的發光二極體元件中全時發光的發光二極體設置於基板側邊，即可達到較佳的散熱效果，實際數目並不以實施例為限。

上述實施例中所述之發光二極體可包含其他可發出可見光波長或不可見光波長範圍之發光二極體，例如綠光、黃光、或紫外光波長範圍的發光二極體，或由AlGaInP系列材料或GaN系列材料為主之發光二極體。其中，每個發光二極體主要又包含有形成在基板上具有第一導電特性的第一半導體材料層，形成在第一半導體材料層上具有第二導電特性的第二半導體材料層，以及在第一半導體材料層與第二半導體材料層之間的一層活性層。

藉由以上的說明，可了解本發明所揭示之發光二極體元件電路設計概念及利用此概念所製成的元件結構及其組合除了在保有單一發光二極體各自的發光面積的情況下可同時提升整體元件的發光亮度之外，並且在可以自由調整全時發光二極體與半時發光二極體之間的相對位置情況之下，達到整體元件及元件組合的良好散熱效果。

本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。

10、40、70．．．基板

11、41．．．整流單元

12、42．．．第一導電端點

13、43．．．第二導電端點

100、300、400、400”．．．發光二極體元件

100’、400’．．．電路設計圖

101、401．．．第一發光二極體群組

102、402．．．第二發光二極體群組

103、403．．．第三發光二極體群組

401’．．．具有四個導電連接點的發光二極體

402’、402”、403’．．．發光二極體

411．．．第一導電連接點

412．．．第二導電連接點

413．．．第三導電連接點

414．．．第四導電連接點

700．．．發光二極體元件組合

711．．．外圍區域

B．．．導電架橋

B’．．．外部導電架橋

第1圖為一結構圖，顯示一發光二極體元件的結構圖；

第2圖為一電路圖，顯示一依圖1所示的發光二極體元件之電路圖；

第3圖為一結構圖，顯示一發光二極體元件的結構圖；

第4圖為一結構圖，顯示一發光二極體元件的結構圖；

第5圖為一電路圖，顯示一依圖1所示的發光二極體元件之電路圖；

第6圖為一結構圖，顯示另一發光二極體元件的結構圖；

第7圖為一結構圖，顯示一發光二極體元件組合的結構圖。

40．．．基板

41．．．整流單元

42．．．第一導電端點

43．．．第二導電端點

400．．．發光二極體元件

401．．．第一發光二極體群組

401’．．．具有四個導電連接點的發光二極體

402．．．第二發光二極體群組

403．．．第三發光二極體群組

402’、402”、403’．．．發光二極體

411．．．第一導電連接點

412．．．第二導電連接點

413．．．第三導電連接點

414．．．第四導電連接點

B．．．導電架橋

B’．．．外部導電架橋。

Claims (13)

1. 一種發光二極體元件，包含：一基板；一第一導電端點與一第二導電端點，以接收交流電源訊號；一第一發光二極體群組，設置於該基板上，包含複數個發光二極體，電性連接於該第一導電端點與該第二導電端點，於該交流電源正循環的時候發光；一第二發光二極體群組，設置於該基板上，包含複數個發光二極體，電性連接於該第一導電端點與該第二導電端點，於該交流電源負循環的時候發光；一第三發光二極體群組，設置於該基板上，包含至少一個發光二極體，電性連接於該第一發光二極體群組與該第二發光二極體群組，於該交流電源正循環及該交流電源負循環的時候發光；其中，於該第一發光二極體群組中，至少一個發光二極體上具有大於三個相異的導電連接點，分別用以電性連接至至少該第二發光二極體群組、該第三發光二極體群組以及一外部的電源或元件。
2. 如請求項1之發光二極體元件，其中該具有大於三個導電連接點的發光二極體具有四個導電連接點。
3. 如請求項1之發光二極體元件，更包含與該具有大於三個導電連接點的發光二極體的導電連接點個數相同的導電架橋，分別與該些導電連接點直接連接，該些導電架橋中至少一個其一端與該發光二極體元件外的一導電結構直接連接或與該第三發光二極體群組中的一個發光二極體直接連接。
4. 如請求項1之發光二極體元件，其中，每一該發光二極體更包含：一第一半導體材料層，設置在該基板上，具有一第一導電特性；一第二半導體材料層，設置在該第一半導體材料層上，具有一第二導電特性；以及一活性層，設置在該第一半導體材料層與該第二半導體材料層之間。
5. 如請求項4之發光二極體元件，其中，每一該發光二極體之該活性層係由AlGaInP系列材料及/或GaN系列材料所組成。
6. 一種發光二極體元件組合，包含複數個如請求項1所述之發光二極體元件，設置在同一個基板上。
7. 如請求項6的發光二極體元件組合，其中，該基板包含至少三個側邊，且該些第三發光二極體群組至少一半係位於該些側邊。
8. 如請求項6的發光二極體元件組合，其中任一該發光二極體之該活性層係由AlGaInP系列材料及/或GaN系列材料所組成。
9. 如請求項6之發光二極體元件組合，其中，每一該發光二極體更包含：一第一半導體材料層，設置在該基板上，具有一第一導電特性；一第二半導體材料層，設置在該第一半導體材料層上，具有一第二導電特性；以及一活性層，設置在該第一半導體材料層與該第二半導體材料層之間。
10. 一種整流單元，包含：一基板；一第一導電端點與一第二導電端點，以接收交流電源訊號；一第一發光二極體組，設置於該基板上，包含第一發光二極體群組及第二發光二極體群組，其中該第一發光二極體群組包含複數個發光二極體，電性連接於該第一導電端點與該第二導電端點，於該交流電源正循環的時候發光，該第二發光二極體群組包含多個發光二極體，電性連接於該第一導電端點與該第二導電端點，於該交流電源負循環的時候發光；一第二發光二極體組，設置於該基板上，包含複數個發光二極體，電性連接於該第一導電端點與該第二導電端點，於該交流電源正循環及負循環的時候發光；其中該第一發光二極體組包含至少一個發光二極體未與該第二發光二極體組中的任一發光二極體相鄰，該第一發光二極體群組的至少一發光二極體或該第二發光二極體群組的至少一發光二極體具有大於三個相異的導電連接點，分別用以電性連接至與其不同的發光二極體群組、該第二發光二極體組、以及一外部的電源或元件。
11. 如請求項10之整流單元，其中該具有大於三個相異的導電連接點的發光二極體具有四個相異的導電連接點。
12. 如請求項10之整流單元，其中每一該發光二極體更包含一第一半導體材料層，設置在該基板上，具有一第一導電特性；一第二半導體材料層，設置在該第一半導體材料層上，具有一第二導電特性；以及一活性層，設置在該第一半導體材料層與第二半導體材料層之間。
13. 如請求項10之整流單元，其中任一發光二極體之活性層係由AlGaInP系列材料及/或GaN系列材料所組成。