TWI508612B - 具溫度補償功能之發光元件 - Google Patents

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Description

具溫度補償功能之發光元件
本發明揭示一種發光元件，特別是關於一種具溫度補償功能之發光元件。
發光二極體(light-emitting diode,LED)的發光原理是利用電子在n型半導體與p型半導體間移動的能量差，以光的形式將能量釋放，這樣的發光原理係有別於白熾燈發熱的發光原理，因此發光二極體被稱為冷光源。
此外，發光二極體具有高耐久性、壽命長、輕巧、耗電量低等優點，因此現今的照明市場對於發光二極體寄予厚望，將其視為新一代的照明工具，已逐漸取代傳統光源，並且應用於各種領域，如交通號誌、背光模組、路燈照明、醫療設備等。
在照明領域的應用上，一般須使發光二極體產生近日光(白光)的光譜以配合人眼視覺習慣。前述白光應用可由紅、藍、綠三原色發光二極體，藉由電路設計調配操作電流，依不同比例混成白光，由於電路模組成本高，目前應用並不普遍。另一為藉由紫外光譜發光二極體(UV-LED)激發紅、綠、藍色螢光粉使發出紅光、綠光、藍光，再混成白光，但因目前UV-LED的發光效率仍待改善，於產品應用上尚未普遍。
然而，當電流輸入發光二極體時，除了電能-光能的轉換機制外，還有一部份的電能會轉變成熱能，進而造成諸多光電特性的改變。請見第1圖所示，當發光二極體之接面溫度(junction temperature；Tj )由20℃上升至80℃時，藍光與紅光發光二極體之光電特性之曲線圖；其中，縱軸顯示當發光元件於各接面溫度時之光電特徵值與接面溫度為20℃時之相對值，例如圖中所示包括光輸出功率(Po ；菱形符號)、波長偏移量(Wd ；三角形符號)、及順向電壓值(Vf ；正方形符號)；圖中之實線代表藍光發光二極體之特徵曲線，虛線則代表紅光發光二極體之特徵曲線。當接面溫度由20℃升高至80℃時，藍光發光二極體之光輸出功率下降約12%，亦即其熱冷係數(Hot/Cold Factor)約為0.88；而對於紅光發光二極體之光輸出功率則下降約37%，亦即其熱冷係數約為0.63。此外，在波長的偏移方面，藍光與紅光發光二極體並無太大差別，僅隨Tj 變化而些微變化；在順向電壓的變化方面，當Tj 由20℃升高至80℃時，藍光與紅光發光二極體則各下降約7~8%的幅度，亦即，於定電流操作下，藍光與紅光發光二極體之等效電阻下降約7~8%的幅度。綜上所述，因為紅光及藍光發光二極體的光電特性對溫度的依存度不同，從操作初始至到達穩定狀態的這段期間紅/藍光輸出功率比例變動的不良現象便會發生。當發光元件由紅光及藍光發光二極體所組成之暖白光發光元件應用在照明領域上時，亦因紅光及及藍光發光二極體之熱冷係數不同，使照明系統於點亮初始至穩定時出現光的顏色有一不穩定的問題，引起使用上的不便。
因此，如何使發光二極體照明系統於溫度變化時不產生過大的光色變化，實為技術發展上一重要課題。
本發明之一方面在於提供一種發光元件包含一發光二極體群組，包含複數發光二極體單元彼此電性連接；一溫度補償元件電性連接於所述之發光二極體群組；其中，所述之發光元件於操作時，發光二極體群組之接面溫度自一第一溫度上升至一第二溫度，透過所述之溫度補償元件使得流通過所述之發光二極體群組之電流值於所述之第二溫度時大於所述之第一溫度時之電流值。
第2圖所示為本發明之發光元件之第一實施例電路示意圖，發光元件200包含一第一發光二極體群組202、一第二發光二極體群組204、以及一具有正溫度係數之熱敏電阻206。第一發光二極體群組202包含一第一數量彼此串聯之發光二極體單元208，第二發光二極體群組204包含一第二數量彼此串聯之發光二極體單元208，且第一發光二極體群組202與第二發光二極體群組204電性串聯；其中，發光二極體單元208具有一熱冷係數不大於0.9、或較佳地不大於0.85、或更佳地不大於0.8，並且包含可發出波長範圍位於可見光或不可見光範圍之發光二極體，例如包含紅光、藍光、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。其中熱冷係數係指發光二極體之接面溫度(Tj )由20℃上升至80℃時，發光二極體於Tj =80℃之光輸出功率與Tj =20℃之光輸出功率的比值。
本實施例中，第二發光二極體群組204與熱敏電阻206間係為電性並聯，第一發光二極體群組202具有一等效內建電阻值R1 ，第二發光二極體群組204具有一等效內建電阻值R2 ，熱敏電阻206具有一電阻值RPTC ，其中R1 及R2 約隨接面溫度上升而減小，例如圖1所示，當發光二極體單元208為紅光或藍光發光二極體時，Tj 由20℃上升至80℃，R1 及R2 各自約減少7~8%。而具有正溫度係數之熱敏電阻206之電阻值RPTC 會隨著溫度上升而呈一關係性之上升，例如RPTC 會隨著溫度上升而成線性或非線性關係上升。發光元件200於操作時，一定電流I1 ，例如為介於20～1000毫安培(mA)，流過第一發光二極體群組202，經過第二發光二極體群組204與熱敏電阻206時，分流為流經第二發光二極體群組204的I2 以及流經熱敏電阻206的I3 ，其中I1 =I2 +I3 ；此外，跨第二發光二極體群組204二端之電位差等於跨熱敏電阻206二端之電位差，即I3 *RPTC =I2 *R2 ，因此，從以上二關係式可得知，流經第二發光二極體群組204之電流I2 約與RPTC /(R2 +RPTC )成正相關，即I2 分別與RPTC 呈正相關且與R2 呈負相關。本實施例中，當發光元件200於操作時會造成接面溫度上升，例如：接面溫度由起始操作時之第一溫度，例如為20℃上升至一穩定之第二溫度，例如為80℃時，熱敏電阻206之電阻值RPTC 因接面溫度上升而隨之上升，而第二發光二極體群組204之電阻值R2 因接面溫度上升而隨之減小，因此，在I1 為定電流的情形下，通過第二發光二極體群組204之電流I2 因而增加，使第二發光二極體群組204之光輸出功率隨I2 增加而提高。換言之，第二發光二極體群組204之光輸出功率可利用RPTC 加以控制，以減少第二發光二極體群組204之光輸出功率因其熱冷係數於接面溫度上升時所產生之衰減，達到溫度補償之功能。此外，透過調整第一及第二發光二極體群組所具有之發光二極體單元數量，或挑選適合的溫度係數之熱敏電阻，亦可抵消或控制發光元件其熱冷係數受接面溫度上升所造成的光輸出功率之衰減。本實施例中所揭露之熱敏電阻206亦可如第3圖所示，同時與第一發光二極體群組202以及第二發光二極體群組204電性並聯，使於發光元件之接面溫度上升時，通過第一發光二極體群組202以及第二發光二極體群組204之電流較起始溫度時為高，亦為本發明可行之變化實施。
請見第4圖為符合本發明之發光元件之第三實施例電路示意圖，發光元件400包含一發光二極體群組402以及一具有負溫度係數之熱敏電阻405。發光二極體群組402包含彼此串聯之複數個發光二極體單元408，發光二極體群組402包含可發出波長範圍位於可見光或不可見光範圍之發光二極體，例如包含紅光、藍光、或紫外光波長範圍之發光二極體，或由AlGaInP系列材料或GaN系列材料為主之發光二極體。
本實施例中，發光二極體群組402與熱敏電阻405間係為電性串聯，發光二極體群組402具有一等效內建電阻值R1 ，熱敏電阻406具有一電阻值RNTC ；其中R1 約隨接面溫度上升而減小，如圖1所示，當發光二極體單元408例如為紅光或藍光發光二極體時，Tj 由20℃上升至80℃，R1 約減少7~8%。具有負溫度係數之熱敏電阻405之電阻值RNTC 則會隨著溫度上升而呈一關係性之下降，例如RNTC 會隨著溫度上升而成線性或非線性關係下降。發光元件400於定電壓操作時，輸入值Vin 之定電壓使得流過發光二極體群組402的電流I1 約介於20～1000毫安培。依據歐姆定律，電流I1 與發光元件400之總電阻與輸入電壓Vin 的比值成反比，亦即I1 =Vin/(R1 +RNTC )。換言之，通過發光二極體群組402之電流I1 與RNTC 及R1 成負相關。本實施例中，當發光元件400於操作時會造成接面溫度上升，例如：接面溫度由起始操作時之第一溫度，例如為20℃上升至一穩定之第二溫度，例如為80℃時，熱敏電阻405之電阻值RNTC 及發光二極體群組402之電阻值R1 如前述均隨溫度上升而下降，因此，I1 隨之上升，使得發光二極體群組402之光輸出功率隨I1 上升而提高。換言之，發光二極體群組402之光輸出功率可利用RNTC 加以控制，以減少發光二極體群組402之光輸出功率因其熱冷係數於接面溫度上升時所產生之衰減，達到溫度補償之功能。此外，透過調整發光二極體群組402所具有之發光二極體單元數量，及/或挑選適合的溫度係數之熱敏電阻，亦可減少發光元件因其熱冷係數受接面溫度上升所造成的光輸出功率衰減。
第5圖所示為符合本發明之發光元件之第四實施例電路示意圖，包含一第一發光模組510、一第二發光模組520與第一發光模組510並聯連接、以及一具有正溫度係數之熱敏電阻506與第二發光模組520電性連接；其中，第一發光模組510包含一第一發光二極體群組502，第二發光模組520包含一第二發光二極體群組503及一第三發光二極體群組504。第一發光二極體群組502包含一第一數量彼此串聯之第一發光二極體單元507，第二發光二極體群組503包含一第二數量彼此串聯之第二發光二極體單元508，第三發光二極體群組504包含一第三數量彼此串聯之第二發光二極體單元508；其中，熱敏電阻506與第三發光二極體群組504電性並聯，並且與第二發光二極體群組503電性串聯。其中，第一發光模組510或第一發光二極體單元507具有一熱冷係數約大於0.85；第二發光模組520或第二發光二極體單元508具有一熱冷係數小於第一發光模組510或第一發光二極體單元507，例如熱冷係數小於0.85，或較佳地小於0.8。於本實施例中，第一發光二極體單元係包含熱冷係數約為0.88之藍光發光二極體；第二發光二極體單元係包含熱冷係數約為0.63之紅光發光二極體，但並不以此為限，亦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。
本實施例中，第三發光二極體群組504與熱敏電阻506間係為電性並聯，第二發光二極體群組503具有一等效內建電阻值R1 ，第三發光二極體群組504具有一等效內建電阻值R2 ，熱敏電阻506具有一電阻值RPTC ，其中R1 及R2 約隨接面溫度上升而減小，如圖1所示，當第二發光二極體單元為紅光或藍光發光二極體時，R1 及R2 各自約減少7~8%；而具有正溫度係數之熱敏電阻506其電阻值RPTC 會隨著溫度上升而呈一關係性之上升，例如RPTC 會隨著溫度上升而成線性或非線性關係上升。發光元件500於操作時，一定電流I0 分流為流過第一發光模組510的I1 以及第二發光模組520的I2 ，經過第二發光模組520之第三發光二極體群組504與熱敏電阻506時，分流為流經第三發光二極體群組504的I3 以及流經熱敏電阻506的I4 ，其中I2 =I3 +I4 ；又跨第三發光二極體群組504二端之電位差等於跨熱敏電阻506二端之電位差，即I4 *RPTC =I3 *R2 ，因此，從以上二關係式可得知，流經第三發光二極體群組504之電流I3 約與RPTC /(R2 +RPTC )成正相關，即I3 分別與RPTC 呈正相關，以及與R2 呈負相關。本實施例中，當發光元件500於操作時會造成接面溫度上升，例如：接面溫度由起始操作時之第一溫度，例如為20℃上升至一穩定之第二溫度，例如為80℃時，熱敏電阻506之電阻值RPTC 因接面溫度上升而隨之上升，且第三發光二極體群組504之電阻值R2 因接面溫度上升而隨之減小，因此，I3 隨接面溫度上升而上升，使得第三發光二極體群組504之光輸出功率隨I3 上升而提高。於本實施例中，因為第一發光模組510之熱冷係數較第二發光模組520大，因此第二發光模組520之光輸出功率隨接面溫度上升而衰退的幅度大於第一發光模組510，造成第一發光模組510與第二發光模組520發出之混合光色隨接面溫度上升而往第一發光模組510之光色偏移。然而藉由控制熱敏電阻506之RPTC ，可以減少第二發光模組520之光輸出功率因其熱冷係數於接面溫度上升時所產生之衰減，達到溫度補償之功能。此外，透過調整第二及第三發光二極體群組所具有之發光二極體單元數量，或挑選適合的溫度係數之熱敏電阻，亦可抵消或控制第二發光模組因其熱冷係數受接面溫度上升所造成的光輸出功率之衰減。再者，本實施例中所揭露之熱敏電阻506可同時與第二發光二極體群組503以及第三發光二極體群組504電性並聯，使於發光元件之接面溫度升高時，通過第二發光二極體群組503以及第三發光二極體群組504之電流較起始溫度時為高，亦為本發明可行之變化實施。本發明之第五實施例如第6圖所示，與第四實施例之差異在於第二發光模組520係與一具有負溫度係數之熱敏電阻605串聯連接，並且基於類似於第三實施例及第4圖之相關描述，達到本發明之溫度補償功用。此外，前述第四及第五實施例之第一及第二發光模組並不限於並聯連接，亦可以各自連接至一獨立控制之電流源或電壓源，亦屬於本發明之一部份。
第7圖所示為本發明前述各實施例所揭示之發光二極體群組之結構示意圖。發光二極體群組700包括一基板710以及複數個發光二極體單元共同地以一陣列形式成長或接合於基板710上，並以溝渠711隔開。各該複數個發光二極體單元包括一n型接觸層720形成於基板710之上、一n型束縛層(cladding layer)730形成於接觸層720之上、一活性層(active layer)740形成於n型束縛層730之上、一p型束縛層750形成於活性層740之上、一p型接觸層760形成於p型束縛層750之上、一連接導線770電性連接各發光二極體單元之n型接觸層720至另一發光二極體單元之p型接觸層760以形成一串聯結構、以及一絶緣層780形成於溝渠711與連接導線770之間，以防止不避要之短路路徑。於本發明之一實施例，發光二極體群組700包含複數個發光二極體單元共同形成於單一基板之高壓陣列單晶片，例如為發出藍光之藍光高壓陣列單晶片或發出紅光之紅光高壓陣列單晶片，其操作電壓取決於串聯之發光二極體單元之數量。其中，所述之n型或p型接觸層、n型或p型束縛層、或活性層之材料係包含III-V族化合物，例如包含Alx Iny Ga(1-x-y) N或Alx Iny Ga(1-x-y) P，其中，0x,y1;(x+y)1。
第8圖為第6圖所示之本發明發光元件第四或第五實施例之結構示意圖，其中發光元件600之第一發光模組510包含如第7圖所揭示之藍光高壓陣列單晶片，以及第二發光模組520包含如第7圖所揭示之紅光高壓陣列單晶片電性連接於一熱敏電阻605；二個電極墊509係電性連接至第一發光模組510及第二發光模組520並用以接收一電源訊號；其中，第一發光模組510、第二發光模組520、熱敏電阻605、以及電極墊509係共同形成於一載板501上。
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。
200、300、400、500、600．．．發光元件
202、502．．．第一發光二極體群組
204、503．．．第二發光二極體群組
206、506．．．正溫度係之熱敏電阻
208、408．．．發光二極體單元
402、700．．．發光二極體群組
405、605．．．負溫度係之熱敏電阻
501．．．載板
504．．．第三發光二極體群組
507．．．第一發光二極體單元
508．．．第二發光二極體單元
509．．．電極墊
510．．．第一發光模組
520．．．第二發光模組
710．．．基板
711．．．溝渠
720．．．n型接觸層
730．．．n型束縛層
740．．．活性層
750．．．p型束縛層
760．．．p型接觸層
770．．．連接導線
780．．．絶緣層
第1圖為接面溫度對發光元件之光電特性之影響曲線圖。
第2圖為符合本發明發光元件之第一實施例示意圖。
第3圖為符合本發明發光元件之第二實施例示意圖。
第4圖為符合本發明發光元件之第三實施例示意圖。
第5圖為符合本發明發光元件之第四實施例示意圖。
第6圖為符合本發明發光元件之第五實施例示意圖。
第7圖為符合本發明發光元件之發光二極體群組之結構示意圖
第8圖為符合本發明發光元件之結構示意圖。
200．．．發光元件
202．．．第一發光二極體群組
204．．．第二發光二極體群組
206．．．正溫度係數之熱敏電阻
208．．．發光二極體單元

Claims (10)

  1. 一發光元件，包含：一第一發光二極體群組具有一第一熱冷係數，包含複數個第一發光二極體單元彼此電性連接，其中該第一熱冷係數不大於0.85，該發光元件於操作時，該第一發光二極體群組之接面溫度自一第一溫度上升至一第二溫度；一第二發光二極體群組具有該第一熱冷係數，包含複數個第一發光二極體單元彼此電性連接；以及一溫度補償元件電性與該第一發光二極體群組並聯且與該第二發光二極體群組串聯，使該第一發光二極體群組於該第二溫度之電流值大於該第一溫度時之電流值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，該溫度補償元件為一正溫度係數之熱敏電阻。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之該發光元件，其中該等第一發光二極體單元為紅色發光二極體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一發光二極體群組包含一基板，並且該等第一發光二極體單元係為共同形成於該基板上以形成一高壓單晶片。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一載板，並且該第一發光二極體群組形成於該載板上。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件，更包含一第三發光二極體群組形成於該載板上，具有一第二熱冷係數 大於該第一熱冷係數，包含複數個第二發光二極體單元彼此電性連接。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，該第二熱冷係數不小於0.85。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中該等第三發光二極體單元為藍色發光二極體。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中該第二發光二極體群組包括一基板，並且該等第三發光二極體單元共同形成於該基板上以形成一高壓單晶片。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中該第一發光二極體群組及該第二發光二極體群組與該第三發光二極體群組電性連接。
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