一种提高光利用率的发光二极管及其灯具 |
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| 申请号 | CN201710263217.5 | 申请日 | 2017-04-21 | 公开(公告)号 | CN107221589A | 公开(公告)日 | 2017-09-29 |
| 申请人 | 蒋雪娇; | 发明人 | 尹宁宁; 肖伊茜; 肖伊一; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 半导体 技术领域，尤其涉及一种提高光利用率的发光 二极管 ，以及利用该 发光二极管 制作的 灯具 。发光二极管包括衬底，衬底的上端面依次设有n型半导体层、 发光层 以及p型半导体层；所述p型半导体层和发光层蚀刻有用于n型半导体层外露的蚀刻孔，蚀刻孔内设有与n型半导体层连接的n型 电极 层，p型半导体层的上端面连接有p型电极层；p型半导体层的上端面设有多个用于辅助光线射出的凸起，凸起包括一出光斜面，该出光斜面与竖直方向的夹 角 为a，a为锐角。本发明通过在p型半导体层的上端面设置多个凸起，使得 光子 在出射时，通过出光斜面可以提高出光率。提高发光二极管的光利用率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种提高光利用率的发光二极管，包括衬底，衬底的上端面依次设有n型半导体层、发光层以及p型半导体层；其特征在于：所述p型半导体层和发光层蚀刻有用于n型半导体层外露的蚀刻孔，蚀刻孔内设有与n型半导体层连接的n型电极层，p型半导体层的上端面连接有p型电极层；p型半导体层的上端面设有多个用于辅助光线射出的凸起，所述凸起呈等腰直角三角形；所述蚀刻孔设置在p型半导体层和发光层的中部，p型电极层呈环形设置在p型半导体层的上方；蚀刻孔设有环状的n型绝缘透明层，n型绝缘透明层覆盖发光层、p型半导体层的侧面；n型电极层与n型半导体层之间设有n型金属层。 |
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| 说明书全文 | 一种提高光利用率的发光二极管及其灯具技术领域背景技术[0002] 传统的发光二极管包括衬底，衬底上依次沉积有n型半导体层、发光层以及p型半导体层，其中发光层、p型半导体层设有用于n型半导体层外露的蚀刻孔，蚀刻孔内沉积有n型电极，p型半导体层外沉积有p型电极，当发光二极管处于发光状态时，在p型半导体层和n型半导体层上分别施加正负电压，这样存在于P型半导体层中的空穴和n型半导体内的电子在发光层复合并产生光子，光子投射到外界。 [0003] 然而现有的发光二极管的光取出效率较低，即光子投射到外界的几率不高；主要原因是：发光层中形成的光子在经历半导体层进入空气时，由于半导体层的折射率较大，导致部分光子发生全反射，再次进入到半导体内部，光子发生衰减，甚至以热的形式耗散。这对发光二极管的应用非常不利。 发明内容[0004] 本发明的目的在于解决现有技术中发光二极管的光子在投射过程中，容易发生全反射的问题，提供一种提高光利用率的发光二极管，该发光二极管的光利用率高。 [0005] 本发明的另一目的在于，提供一种光利用率高的灯具。 [0006] 本发明采用的技术方案为：提高光利用率的发光二极管，包括衬底，衬底的上端面依次设有n型半导体层、发光层以及p型半导体层；所述p型半导体层和发光层蚀刻有用于n型半导体层外露的蚀刻孔，蚀刻孔内设有与n型半导体层连接的n型电极层，p型半导体层的上端面连接有p型电极层；p型半导体层的上端面设有多个用于辅助光线射出的凸起，凸起包括一出光斜面，该出光斜面与竖直方向的夹角为a，a为锐角。 [0007] 进一步地，所述凸起呈直角三角形。 [0008] 进一步地，所述凸起呈等腰直角三角形。 [0009] 进一步地，所述蚀刻孔设置在p型半导体层和发光层的中部，p型电极层呈环形设置在p型半导体层的上方。 [0010] 再进一步地，蚀刻孔设有环状的n型绝缘透明层，n型绝缘透明层覆盖发光层、p型半导体层的侧面；n型电极层与n型半导体层之间设有n型金属层。 [0011] 一种灯具，包括：光源；光源包括PCB板，PCB板设有至少一个上述的发光二极管； 底座，其中部设有用于安装光源的灯座； 用于盛装透明介质且透明的容器，容器的上端开口，容器的下端呈环形设置且中部形成有用于容置光源的容置空间；且容器的内侧壁为能够根据内部压强调整伸缩的柔性壁； 容器放置于底座； 盖体，与容器的上端密封连接，且盖体可相对容器上下移动。优选的，盖体设有气阀。 [0014] 进一步地，PCB板设有用于控制灯具工作的恒流电路，其包括：整流电路，用于将市电转为直流电； PFC电路；PFC电路与整流电路的输出端信号连接； 负载输出电路； 电源电路； 变压器T1；PFC电路通过变压器T1分别与负载输出电路、电源电路耦合； 电源电路连接有光耦N3的发光器，光耦N3的受光器设置于PFC电路中，电源电路通过光耦N3向PFC电路输出反馈信号； 还包括：线性恒流调节电路和电压控制电路，所述线性恒流调节电路设有功率调节管Q6，功率调节管Q6的输入端与负载输出电路连接，功率调节管Q6的输出端通过电阻R54接地；电压控制电路设有两个参考输入端，其中一个参考输入端与2.5V电源信号连接，另一个参考输入端连接有第一分压电路，第一分压电路与线性恒流调节电路并联；电压控制电路的输出端与发光器的输出端信号连接。 [0015] 进一步地，所述线性恒流控制电路包括运算放大器Q200，运算放大器的同相输入端连接有第二分压电路，第二分压电路为运算器提供参考电压V1，运算放大器的反相输入端通过电阻R53与功率调节管Q6的输出端信号连接，运算放大器Q200的输出端通过电阻R63与功率调节Q6的控制端信号连接，运算放大器Q200的输出端通过电阻R62、电容C12与反相输入端信号连接；运算放大器Q200的反相输入端采集功率调节管Q6的输出端电压V2，运算放大器Q200向功率调节管Q6发出一个运算信号，功率调节管Q6根据运算信号调节输出端的输出电流。 [0016] 进一步地，功率调节管为N型MOS管，功率调节管Q6的D极为输入端并与负载输出电路连接，S极为输出端并通过电阻R54接地，G极为控制端，G极通过电阻R57与S极信号连接；S极通过电阻R53与运算放大器Q200的反相输入端信号连接，运算放大器Q200的反相输入端通过电容C34接地。 [0017] 第一分压电路包括串联的电阻R27和电阻R28，第二分压电路包括串联的电阻R29和电阻R24；所述电压控制电路的另一个参考输入端与第一分压电路的中间连接端信号连接，用于获取线性恒流调节电路的压降。第二分压电路的一端与2.5V电源信号连接，另一端接地。 [0018] 进一步地，电源电路设有电源VCC和上述2.5V电源对外输出；电压控制电路包括运算放大器Q100，运算放大器Q100的反相输入端为所述电压控制电路的另一个参考输入端，运算放大器Q100的正相输入端为所述电压控制电路的其中一个参考输入端；运算放大器的反相输入端依次通过电阻R22、电容C6与运算放大器Q100的输出端信号连接；运算放大器的正相输入端与2.5V电源连接，电源VCC依次通过电阻R20、电阻R21与运算放大器Q100的输出端信号连接，其中光耦N3的发光器与电子R21并联。 [0019] 进一步地，所述负载输出电路包括滤波电路，滤波电路与变压器T1的一个副线圈信号连接。 [0020] 进一步地，所述第一分压电路的中间连接端连接有稳压管ZD2，且与稳压管ZD2的正极连接，稳压管ZD2的负极与滤波电路的输出端连接。 [0021] 进一步地，还包括EMC电路。EMC电路与市电连接，且输出端与整流电路连接。 [0022] 本发明取得的有益效果：1、本发明通过在p型半导体层的上端面设置多个凸起，使得光子在出射时，通过出光斜面可以提高出光率。提高发光二极管的光利用率。2、容器可以作为调整形状的灯罩，可以改变光路，提高光利用率。3、恒流电路提高负载工作效率。附图说明 [0023] 图1为本发明的一种剖视结构示意图。 [0024] 图2为本发明的另一种剖视结构示意图。 [0025] 图3为本发明的灯具结构分解示意图。 [0026] 图4为本发明的恒流电路示意图。 [0027] 附图标记：1——EMC电路；2——PFC电路；3——电压控制电路；4——电源电路；5——第二分压电路；6——第一分压电路；7——线性恒流调节电路；8——滤波电路；10——盖体；11——内筒；20——容器；21——开口；22——内侧壁；40——灯具；30——底座；31——上表面； 32——灯座；101——衬底；102——n型半导体层；103——发光层；104——p型半导体层； 105——p型电极层；106——n型电极层；107——n型绝缘透明层；108——n型金属层。 [0028] 具体实施方式[0029] 实施例1：一种提高光利用率的发光二极管，包括衬底101，衬底101的上端面依次设有n型半导体层102、发光层103以及p型半导体层104；所述p型半导体层104和发光层103蚀刻有用于n型半导体层102外露的蚀刻孔，蚀刻孔内设有与n型半导体层102连接的n型电极层106，p型半导体层104的上端面连接有p型电极层105；p型半导体层104的上端面设有多个用于辅助光线射出的凸起，凸起包括一出光斜面。 [0030] 设置凸起可以起到辅助光子出射的效果，如当光子以小角度投射到出光斜面后，光子直接折射除去；当光子以大角度投射到出光斜面后，发生全反射，全反射后，光子出凸起的另一侧面射出并投射到相邻的凸起出光面上，此时，光子可以被相邻的凸起出光面反射，从而进入到外界，避免光子在半导体层内衰减。 [0031] 进一步地，所述凸起呈直角三角形。 [0032] 当凸起设置为直角三角形时，凸起的出光面有两个，一个是出光斜面一个是出光直角面；当光子投射到出光直角面时，如果是小角度就直接折射出去；如果是大角度，就全反射到出光斜面，此时的光子方向与出光斜面成小角度，直接被折射出去。光子以大角度投射到出光斜面时，被反射至出光直角面，光子此时从出光直角面直接折射出去，如果碰到相邻凸起的出光斜面，则以全反射的方式进入外界。直角形凸起可以有效提高光子的利用率。 [0033] 进一步地，所述凸起呈等腰直角三角形。出光斜面与竖直方向的夹角为a，a为锐角。a优选为20-50度，最好为45度，也可以为25、35、40度。 [0034] 在实验过程中，凸起为等腰直角三角形时，其发光效率较优。 [0035] 进一步地，所述蚀刻孔设置在p型半导体层4和发光层3的中部，p型电极层5呈环形设置在p型半导体层4的上方。 [0036] 将p型电极层105环形设置，使得发光二极管工作时，电流从p型电极层105流到n型电极层106时，以环形的方式进行；避免局部电流集中，造成局部果然，影响使用寿命。 [0037] 参见图2，再进一步地，蚀刻孔设有环状的n型绝缘透明层107，n型绝缘透明层107覆盖发光层103、p型半导体层104的侧面；n型电极层106与n型半导体层102之间设有n型金属层108。 [0038] 设置n型绝缘透明层107，可以将n型电极层106与发光层103、p型半导体层104更好的隔开。 [0039] 实施例2：一种灯具40，包括：光源；光源包括PCB板，PCB板设有至少一个实施例1中的发光二极管；优选的，PCB设置至少3个发光二极管，且发光二极管呈正多边形设置。 [0040] 底座30，其上表面31中部设有用于安装光源的灯座32；用于盛装透明介质且透明的容器20，容器20的上端开口21，容器20的下端呈环形设置且中部形成有用于容置光源的容置空间；且容器20的内侧壁22为能够根据内部压强调整伸缩的柔性壁；容器20放置于底座30； 盖体10，与容器20的上端密封连接，且盖体10可相对容器20上下移动。优选地，盖体10设有气阀。设置气阀后，可以调整容器20内部的气压。 [0041] 本技术方案中，将容器20作为透镜和灯罩的结合体，且容器20在使用时，可通过调整盖体10在容器20的位置，从而调整容器20内部压强，进而改变内侧壁22的形状，从而达到调整光线的效果。当需要照明时，将容器20从底座30上取出，并在灯座32上安装光源，然后再装回容器20；灯具40发光后，光线透过容器20照射出来；由于光线穿过容器20，光线强度被消弱，光线变得柔和；因此无需安装灯罩之类。当需要改变光线照射方向时，可通过调节盖体10相对容器20的位置，盖体10在相对容器20上下移动时，改变容器20上方的气压，同时也改变了容器20内部的水压，容器20的内侧壁22为柔性壁，在水压改变时，其形状会发生改变；如当盖体10相对容器20向上移动时，水压减小，内侧壁22向内逐渐凹进，可以由外凸形状变为内凹形状；同理，盖体10相对于容器20向下移动时，内侧壁22可以有内凹形状变为外凸形状；内侧壁22的形状改变，改变了光线的入射角度，改变了光路，对容器20的发散或聚光角度进行了调节。改变方式简单，容易操作；如通过改变增加在盖体10上的重物重量；或者盖体10的下端与容器20螺纹连接等。柔性壁可以采用类似于可以具有弹性伸缩的透明橡胶；如透明橡皮筋之类。 [0042] 此时的光源可以只有：电路板和发光二极管；外侧的容器20可相当于灯罩以及透镜。对内部的发光二极管进行保护，并改变光路。 [0043] 优选地，所述盖体10的内底面向容器20方向延伸出内筒11，内筒11套于容器20外部或内部；且内筒11与容器20的接触面设有密封胶圈；盖体10的下端与容器20螺纹连接。 [0044] 盖体10通过内筒11与容器20套接，在连接时，通过密封胶圈进行密封；同时盖体10的下端与容器20螺纹连接，方便调整盖体10相对容器20的位置。 [0045] 进一步地，PCB板设有用于控制灯具40工作的恒流电路，包括：整流电路，用于将市电转为直流电； PFC电路2；PFC电路2与整流电路的输出端信号连接； 负载输出电路； 电源电路4； 变压器T1；PFC电路2通过变压器T1分别与负载输出电路、电源电路4耦合； 电源电路4连接有光耦N3的发光器，光耦N3的受光器设置于PFC电路2中，电源电路4通过光耦N3向PFC电路2输出反馈信号； 还包括：线性恒流调节电路7和电压控制电路3，所述线性恒流调节电路7设有功率调节管Q6，功率调节管Q6的输入端与负载输出电路连接，功率调节管Q6的输出端通过电阻R54接地；电压控制电路3设有两个参考输入端，其中一个参考输入端与2.5V电源信号连接，另一个参考输入端连接有第一分压电路6，第一分压电路6与线性恒流调节电路7并联；电压控制电路3的输出端与发光器的输出端信号连接。 [0046] 本技术方案工作时，PFC电路2通过变压器T1与负载输出电路、电源电路4耦合，负载输出电路的输入端与变压器的一个副边线圈连接，PFC电路2通过光耦的反馈，对负载输出电路输出合适的电压源，以保障负载输出电路中的LED正常工作；线性恒流调节电路7用于调节负载输出电路的电流，以消除电路中的纹波；电压控制电路3通过采样线性恒流调节电路7的压降，与PFC电路2配合控制负载输出电压以及线性恒流调节电路7的压降，使得线性恒流调节电路7的压降最小，这样可以提高负载的工作效率；这里的负载主要包括LED以及线性恒流调节电路7，而线性恒流调节电路7主要由功率调节管Q6来决定；而功率调节管Q6的饱和压降非常小，从而达到提高将线性恒流调节电路7的压降调制最小，达到提高负载的工作效率。 [0047] 进一步地，所述线性恒流控制电路包括运算放大器Q200，运算放大器的同相输入端连接有第二分压电路5，第二分压电路5为运算器提供参考电压V1，运算放大器的反相输入端通过电阻R53与功率调节管Q6的输出端信号连接，运算放大器Q200的输出端通过电阻R63与功率调节Q6的控制端信号连接，运算放大器Q200的输出端通过电阻R62、电容C12与反相输入端信号连接；运算放大器Q200的反相输入端采集功率调节管Q6的输出端电压V2，根据V1和V2，运算放大器Q200向功率调节管Q6发出一个运算信号，功率调节管Q6根据运算信号调节输出端的输出电流，由于功率调节管Q6通过电阻R54接地，输出电流大小影响到运算放大器Q200的反相输入端采集的功率调节管Q6的输出端电压V2，从而达到恒流输出。 [0048] 进一步地，功率调节管为N型MOS管。当然也可以采用三极管。 [0049] 具体地，如图1所示，线性恒流控制电路中，功率调节管Q6的D极为输入端并与负载输出电路连接，S极为输出端并通过电阻R54接地，G极为控制端，G极通过电阻R57与S极信号连接；S极通过电阻R53与运算放大器Q200的反相输入端信号连接，运算放大器Q200的反相输入端通过电容C34接地。 [0050] 第一分压电路6包括串联的电阻R27和电阻R28，第二分压电路5包括串联的电阻R29和电阻R24；所述电压控制电路3的另一个参考输入端与第一分压电路6的中间连接端信号连接，用于获取线性恒流调节电路7的压降。第二分压电路5的一端与2.5V电源信号连接，另一端接地。 [0051] 进一步地，电源电路4设有电源VCC和2.5V电源对外输出；电压控制电路3包括运算放大器Q100，运算放大器Q100的反相输入端为所述电压控制电路3的另一个参考输入端，运算放大器Q100的正相输入端为所述电压控制电路3的其中一个参考输入端；运算放大器的反相输入端依次通过电阻R22、电容C6与运算放大器Q100的输出端信号连接；运算放大器的正相输入端与2.5V电源连接，电源VCC依次通过电阻R20、电阻R21与运算放大器Q100的输出端信号连接，其中光耦N3的发光器与电子R21并联。 [0052] 进一步地，所述负载输出电路包括滤波电路8，滤波电路8与变压器T1的一个副线圈信号连接。 [0053] 具体地，滤波电路8包括串联的电阻R25、电容C8以及二极管D1和电容C3；二极管D1与电阻R25、电容C8并联，电容C3的一端与二极管D1的输出端连接，另一端与副线圈的输入端连接。 [0054] 进一步地，所述第一分压电路6的中间连接端连接有稳压管ZD2，且与稳压管ZD2的正极连接，稳压管ZD2的负极与滤波电路8的输出端连接。 [0055] 设置稳压管ZD2，可以防止线性恒流调节电路7因故障出现压降过大；当压降过大时，稳压管ZD2两端的电压可超过其稳定电压，被击穿。电压控制电路3的运算放大器100的反相输入端信号增强，从而调节流经光耦N3的发光器电流减小，PFC电路2对输出耦合进行调节，停止对外输出。 [0056] 进一步地，还包括EMC电路1。EMC电路1与市电连接，且输出端与整流电路连接。 [0058] 恒流电路在输出电路中设计纹波消除电路将纹波消除，其次，设计限制电路对纹波消除电路的压降进行控制，使得PFC电路2的输出无纹波且效率高。 |
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