Công nghệ led, ứng dụng led trong hiếu sáng

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- NGUYỄN ĐỨC SANG CÔNG NGHỆ LED, ỨNG DỤNG LED TRONG CHIẾU SÁNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điện hướng thiết bị điệnLUẬN VĂN TH

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ĐỨC SANG

Chuyên ngành: K ỹ thuật điện hướng thiết bị điện

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ VĂN DOANH

HÀ NỘI - 2012

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn được nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về LED từ đó trình bày công nghệ chế tạo LED, đo lường các thông số quang và điện của LED Trong quá trình thực hiện đề tài này, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Văn Doanh, tôi đã tìm

ra công nghệ chế tạo LED, phương pháp đo lường các thông số quang và điện của LED Tôi xin cam đoan rằng những nội dung trong đề tài luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi Nội dung luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kì một công trình nào khác

Tác giả

NGUY ỄN ĐỨC SANG

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LED 10

1.1 GIỚI THIỆU VỀ LED: 10

1.1.1 Sơ lược về các nguồn sáng: 10

1.1.2 Cấu tạo đèn Led: 12

1.1.3 Hoạt động của LED: 13

1.1.4 Phân loại LED 14

1.1.4.1 LED driver ( LED tín hiệu, LED quảng cáo) 14

1.1.4.2 LED siêu sáng ( High Bright LED, White LED ) 16

1.2 SO SÁNH ĐÈN LED VỚI CÁC LOẠI ĐÈN KHÁC: 17

1.2.1 Ưu điểm của đèn LED: 17

1.2.2 Nhược điểm: 19

1.3 Một số ứng dụng chính của đèn LED: 19

1.3.1 Trong lĩnh vực chiếu sáng đường phố: 20

1.3.2 Trong lĩnh vực chiếu sáng trang trí: 22

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LED 23

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ LED 23

2.1.1 Hiện tượng tái hợp bức xạ trong bán dẫn 23

2.1.1.1 Lý do bán dẫn thuộc vùng cấm trực tiếp 23

2.1.1.2 Lý do bán dẫn nằm trong trạng thái không cân bằng 24

2.1.2 Nguyên lý phát quang của LED 24

2.1.3 Cấu tạo của LED 26

2.1.4 Các đặc trưng của LED 26

2.1.4.1 Dòng photon nội 26

2.1.4.2 Dòng photon ngoài và hiệu suất 27

2.1.4.3 Độ nhạy 28

2.1.4.4 Phân bố phổ 29

2.1.4.5 Thời gian phản ứng 30

2.1.4.6 Giản đồ không gian của ánh sáng do LED phát ra 31

2.1.4.7 Mạch điện sử dụng LED 31

2.1.5 Vật liệu, công nghệ chế tạo và cấu trúc của LED 32

2.1.5.1 Vật liệu 32

2.1.5.2 Công nghệ chế tạo và cấu trúc 33

2.2 CÁC PHƯƠNG HƯỚNG CÔNG NGHỆ LED 34

2.3 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT LED CỦA MỘT SỐ HÃNG NỔI TIẾNG 40

2.3.1 Giới thiệu đèn LED của hãng OSRAM 40

2.3.2 Giới thiệu đèn LED của hãng Haosi 41

CHƯƠNG 3: ĐO LƯỜNG MỘT SỐ THÔNG SỐ QUANG HỌC ĐÈN LED 43 3.1 ĐẠI LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO ÁNH SÁNG 43

3.1.1 Đặc Điểm Của Phép Đo Ánh Sáng 43

3.1.1.1 Trắc quang chủ quan 43

3.1.1.2 Trắc quang khách quan 44

3.1.1.3 Các tham số của nguồn sáng 44

3.2 ĐO QUANG THÔNG CỦA NGUỒN SÁNG 48

3.2.1 Đo quang thông của nguồn điểm, cầu tích phân 48

3.2.2 Quy trình đo 50

3.2.2.1 Hiệu chuẩn quả cầu 50

3.2.2.2 Tính quang thông tổng 51

3.2.2.3 Hiệu chỉnh quả cầu theo dạng bóng đèn 51

3.2.2.4 Nguyên nhân sai số 53

3.2.2.5 Một số kết quả đo quang thông 53

3.2.2.5.1 Quang thông của đèn sợi đốt 53

3.2.2.5.2 Quang thông của đèn compact 54

3.2.2.5.3 Quang thông của đèn LED Panel: 54

3.3 ĐO QUANG THÔNG CỦA LED PANEL VÀ CÁC NGUỒN SÁNG CÓ KÍCH THƯỚC LỚN – GÓC KẾ QUANG HỌC 57

3.3.1 Các hệ tọa độ dùng để biểu diễn phân bố cường độ sáng 57

3.3.1.1 Hệ tọa độ cực 57

3.2.1.2 Quan hệ giữa các hệ tọa độ 58

3.3.2 Đo và vẽ đường cong phân bố cường độ sáng 61

3.3.2.1 Góc kế quang học (Goniophotometer) 61

3.2.2.2 Cấu tạo 61

3.2.2.3 Xử lý kết quả đo 61

3.4 Quang thông vùng (Zone Flux) 63

3.4.1 Vùng và hệ số vùng ( Zone and Zonal Factor) 63

3.4.2 Tính quang thông vùng 64

3.5 Kết quả đo quang thông theo công thức (5) bằng góc kế quang học 65

3.5.1 Mặt phẳng C=0o 65

3.5.2 Mặt phẳng C=22,5o 67

3.5.3 Mặt phẳng C=45o 69

3.5.4 Mặt phẳng C=67,5o 71

3.5.5 Mặt phẳng C=90o 73

3.6 Kết quả đo quang thông theo phương pháp quang thông vùng 76

K ẾT LUẬN 78

KI ẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CRI - Color Rendering Index - Chỉ số hoàn màu

C.I.E - Commssion Internationale de I’E’clairage - Ủy ban thắp sáng thế giới LCD - Liquid Crystal Display - Màn hình tinh thể lỏng

LED - Light Emitting Diode - Diode bán dẫn

OLED - Organic Light- Emitting Diode - Diode phát sáng hữu cơ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Các thông số cơ bản của nguồn sáng thông dụng 45 Bảng 3.2: Một vài trị số cường độ sáng của các nguồn sáng 45 Bảng 3.3: Nhiệt độ màu Tm (K) của các loại nguồn sáng 47

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Cấu tạo của LED 13

Hình 1.2: Nguyên lý làm việc của LED 14

Hình 1.3: Một số loại LED đơn sắc 14

Hình 1.4: Phổ đơn sắc của LED xanh 15

Hình 1.5: Phổ đơn sắc của LED đỏ 15

Hình 1.6: Phổ đơn sắc của LED lam 16

Hình 1.7: Một số loại LED trắng 16

Hình 1.8: Phổ của LED trắng 17

Hình 1.9: đèn chiếu sáng bằng LED tại đường Thành Thái, Q.10 tại TP.HCM 21

Hình 2.1: Sơ đồ hai mức năng lượng 25

Hình 2.2: Cấu hình LED phẳng GaAs 26

Hình 2.3: Các hướng phát ra của LED và dòng ló ra bên ngài 27

Hình 2.4: Công suất quang phụ thuộc vào dòng điện phun vào LED 29

Hình 2.5: Mật độ phổ của tốc độ điện phát quang phun trực tiếp vùng – vùng rsp(v) phụ thuộc vào hv 30

Hình 2.6: Giản đồ phát sáng không gian của LED 31

Hình 2.7: Hai phương hướng công nghệ 34

Hình 2.8: Tạo nên LED trắng b nhờ phủ phốt pho lên LED xanh a 37

Hình 2.9: Tạo nên LED màu trắng từ LED đỏ, xanh, lơ 37

Hình 2.10: Đèn ống LED 37

Hình 2.11: Mô hình quy trình công nghệ sản xuất LED 38

Hình 2.12: Các linh kiện chế tạo LED và vật liệu tương ứng 39

Hình 2.13: Đèn LED do OSRAM chế tạo 40

Hình 2.14: Bóng đèn LED do Haosi chế tạo 41

Hình 2.15: Bộ đèn chiếu sáng đường giao thông sử dụng LED 41

Hình 3.1: Quả cầu tích phân 49

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay công nghệ chiếu sáng bằng LED là một trong những hướng phát triển quan trọng của nhiều quốc gia Công nghệ chiếu sáng chung bằng LED đã được minh chứng và phát triển ở nhiều nước trên thế giới, với hàng loạt ưu điểm vượt trội so với các công nghệ chiếu sáng truyền thống như: Tuổi thọ cao, chất lượng chiếu sáng tốt, độ trả màu cao, không có thủy ngân, có khả năng tích hợp với các công nghệ điều khiển khác như dimming (giảm công suất tiêu thụ điện chiếu sáng trong thời gian thấp điểm), năng lượng mặt trời…đặc biệt là khả năng tiết kiệm điện rất lớn

Việc phát triển và ứng dụng đèn LED phục vụ chiếu sáng tổng thể không chỉ

là xu hướng chung của tất cả các quốc gia trên thế giới, mà còn đóng góp đáng kể cho việc thực hiện thành công chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, góp phần giảm khí phát thải nhà kính, bảo vệ môi trường trái đất của chúng ta

Biết được tầm quan trọng to lớn của ứng dụng đèn LED hiện nay, tôi đã lựa chọn đề tài: “ Công nghệ LED, ứng dụng LED trong chiếu sáng ” để làm luận văn tốt nghiệp cao học

- Trình bày công nghệ chế tạo LED

- Trình bày đo lường các thông số quang của LED

LED trong công nghệ chiếu sáng

3.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu LED trong lĩnh vực chiếu sáng

Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục hình vẽ, danh mục bảng số liệu, danh mục chữ viết tắt, mục lục, phụ lục, luận văn gồm ba chương với các nội dung nghiên cứu như sau:

Nội dung:

Chương 1: Tổng quan về LED

Chương 2: Công nghệ chế tạo LED

Chương 3: Đo lường một số thông số quang học đèn LED

- Bổ sung kiến thức về công nghệ chiếu sáng bằng LED

- Tạo cơ sở cho việc đo đạc và kiểm nghiệm LED

- Tổng kết, đánh giá, đưa ra những khó khăn và hạn chế gặp phải khi nghiên cứu, để tạo tiền đề cho những nghiên cứu sau này

5 Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu đề tài, tác giả dựa vào:

Cơ sở lý thuyết: Luận văn sử dụng các lý thuyết về LED, các lý thuyết về công

nghệ chế tạo nguồn sáng và phương pháp đo, kiểm nghiệm

Cơ sở thực tiễn: Tìm hiểu, phân tích về điôt bán dẫn, quy trình sản xuất LED,

cách đo và kiểm nghiệm LED Đưa ra được những ứng dụng thiết thực của LED trong cuộc sống

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LED

Từ xa xưa, người tiền sử sử dụng những nguồn sáng thô sơ để chiếu sáng hang động của mình Những nguồn đó làm từ những vật liệu sẵn có như đá, vỏ cây, sừng thú vật chứa mỡ và ngọn bấc Thông thường sử dụng mỡ động và thực vật

Trong nền văn minh cổ đại của Babylon và Ai cập ánh sáng là xa xỉ Những đêm huyền thoại Ả rập khác xa với những đêm đô thị rực rỡ hôm nay Cung điện của những kẻ giầu có chỉ được chiếu sáng bằng những ngọn đèn dầu bập bùng Chúng thường có dạng giống cái bát có miệng hoặc vòi chứa bấc đèn Mỡ động vật, dầu cá hoặc dầu thực vật ( dầu cọ hoặc Ô liu) chính là nhiên liệu

Năm 1809, Humphrey Davy lần đầu tiên biểu diễn đèn hồ quang carbon tại Viện Hoàng Gia ở London

Năm 1877, những ngọn đèn hồ quang được treo bên ngoài nhà vũ kịch Pari Chúng giống như những ngọn nến, bên trong có hai thanh carbon đồng trục phát sáng khi được tách nhau Đèn hồ quang xuất hiện đúng vào thời điểm lịch sử khi mà điện đã thoát khỏi phòng thí nghiệm đi vào cuộc sống thường ngày Đó là thời gian của các xe ngựa treo đèn hơi đốt và cuộc nội chiến ở Mỹ vừa mới trải qua được hơn mười năm Đối với nhiều người, đèn hồ quang là một thiết bị điện đầu tiên mà họ nhìn thấy

Đến thế kỉ 19 người ta bắt đầu nhận thấy ưu điểm khi thắp sáng bằng điện Cho đến nay người ta vẫn chưa biết chính xác ai là người đầu tiên chế tạo ra chiếc đèn điện đầu tiên Tuy nhiên để đi đến chiếc bóng đèn hoàn thiện như ngày nay chắc chắn phải có sự cống hiến của nhiều nhà khoa học, trong đó người có công lớn nhất là người đăng kí bản quyền phát minh đầu tiên về bóng đèn dây tóc vào năm

1878 là Thomas Edison – một nhà phát minh người Mỹ

Theo đó thời đại ánh sáng điện bắt đầu từ đèn sơi đốt của Thomas Edison (1837-1931) chế tạo vào năm 1878 từ sợi các bon, hiệu quả ánh sáng 2 lm/W, tuổi thọ 600 giờ Năm 1908 nhà khoa học Đức Ernt Werner Siemens (1816-1902) đã sử

dụng sợi đốt vonfram-nicken kéo dài tuổi thọ của đèn sợi đốt Các đèn sợi đốt hiện đại trong môi trường halogen có chỉ số thể hiện màu xấp xỉ 100, cho ánh sáng ấm và đạt hiệu quả 20 lm/W

Hồ quang thủy ngân được phát hiện từ năm 1901 nhưng 30 năm sau mới được ứng dụng trong thực tế Từ năm 1960 các đèn phóng điện thủy ngân mới được ứng dụng trong chiếu sáng công cộng, chúng có thể chuyển hóa 20% điện năng thành quang năng và là nguồn sáng lạnh

Hiện tượng ion hoá phát sáng trong chất khí được nhà khoa học Anh Edward Townsend (1868-1957) phát hiện đã được ứng dụng để chế tạo các loại đèn phóng điện Đèn hơi Natri (Sodium) áp suất thấp do Van Voorhir chế tạo từ năm 1923 cho ánh sáng đơn sắc màu vàng, chúng có thể chuyển hóa 80% điện năng thành quang năng, vì vậy có hiệu quả ánh sáng rất cao, đạt tới 200 lm/W, nhưng hệ số thể hiện màu rất thấp, gần bằng không Đèn Sodium áp suất cao có thể chuyển hóa 50% điện năng thành quang năng, cho ánh sáng gần với màu trắng hơn, hiệu quả ánh sáng đạt tới 120 lm/W, chủ yếu dùng cho chiếu sáng công cộng

Năm 1933 các đèn ống huỳnh quang đầu tiên đã được bán ra thị trường và ngày nay đã trở thành nguồn sáng chủ yếu, được sử dụng rộng rãi để chiếu sáng trong nhà Các đèn huỳnh quang thế hệ mới có hiệu quả ánh sáng tới 80 lm/W, chỉ

số thể hiện màu 70-85

Các đèn halogen kim loại (Metal halide) do công ty General Electric chế tạo

từ những năm 1960, có hiệu suất sáng không lớn hơn đèn Sodium áp suất cao, nhưng có ánh sáng trắng hơn và được ứng dụng rộng rãi trong chiếu sáng công cộng, chúng có thể được chế tạo với công suất lớn cỡ 2 kW, hiệu quả sáng đạt tới 95 lm/W, thích hợp cho chiếu sáng các công trình văn hóa, thể thao

Trong thập niên đầu của thế kỷ 21 đèn LED (Light Emitting Diode – Điôt phát quang) có sự phát triển vượt bậc LED dựa trên công nghệ bán dẫn Hiện tại LED cho ánh sáng trắng có tuổi thọ tới 50 nghìn giờ sử dụng, gấp 50 lần so với bóng đèn 60 W thông thường LED sẽ thay thế dần đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bởi những ưu điểm như tiết kiệm năng lượng tiêu thụ từ 70 đến 80% so với loại đèn

thông thường; tuổi thọ cao (nếu dùng LED mười giờ mỗi ngày thì 23 năm sau mới phải thay bóng); kích cỡ nhỏ; nhiệt năng sinh ra trong quá trình hoạt động không đáng kể; hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ thấp; sử dụng dòng điện một chiều với hiệu điện thế nhỏ; không gây ô nhiễm môi trường vì không sinh ra tia cực tím, không có thủy ngân

Có khoảng trên 6000 loại đèn khác nhau và được phân chia thành 3 nhóm chính:

+ Đèn dây tóc: Đây là nguồn sáng đơn giản, sử dụng thuận tiện, có hệ số thể hiện màu rất cao CRI = 100 Tuy nhiên hiệu quả năng lượng thấp, tuổi thọ thấp nên có xu hướng bị loại bỏ

+ Đèn phóng điện: Đây là các đèn được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng nội thất và ngoại thất hiện nay

+ Đèn LED: Nguồn sáng bán dẫn

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một

Đèn phát sáng bán

d ẫn LED - 1960 Đèn dây tóc - 1880 Đèn phóng điện - 1934

khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n

Hình 1.1: Cấu tạo của LED

LED ra đời từ những năm 60 của thế kỷ trước, được ứng dụng để hiển thị thời gian của đồng hồ báo thức hay dung lượng nguồn của thiết bị điện tử thông qua ánh sáng đỏ, xanh lá cây, vàng mà chưa có mầu trắng

Năm 1993, Công ty Hóa chất Nichia của Nhật Bản đã nghiên cứu hoàn chỉnh công nghệ chế tạo loại LED cho ánh sáng trắng Kết quả nghiên cứu nói trên đã mở

ra cơ hội mới để ứng dụng đèn LED vào cuộc sống Led trong giai đoạn phát triển bùng nổ trong phòng thí nghiệm và công nghiệp tạo nên cách mạng trong kỹ thuật chiếu sáng, làm thay đổi hẳn bộ mặt kỹ thuật chiếu sáng

1.1.3 Hoạt động của LED:

Phần chủ yếu của chip Led là tinh thể bán dẫn InGaN tạo nên chuyển tiếp

p-n, được đóng gói với chân nối và thấu kính như hình 1.1

Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống)

Hình 1.2: Nguyên lý làm việc của LED

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên

tử trung hòa Năng lượng do sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống phát sinh photon dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó) Khi đặt vào điện trường chúng chuyển động và tái hợp trong vùng chuyển tiếp còn gọi là vùng

nghèo

Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn

1.1.4.1 LED driver ( LED tín hiệu, LED quảng cáo)

Hình 1.3: Một số loại LED đơn sắc + Công suất nhỏ: khoảng vài mW

Điện tử

Lỗ trống

+ Dòng nuôi thấp: từ vài đến vài chục mA

Phổ của một vài loại LED đơn sắc:

Hình 1.4: Phổ đơn sắc của LED xanh

Hình 1.5: Phổ đơn sắc của LED đỏ

Hình 1.6: Phổ đơn sắc của LED lam

1.1.4.2 LED siêu sáng ( High Bright LED, White LED )

Hình 1.7: Một số loại LED trắng + Công suất lớn (LED công suất): từ vài trăm mW đến 1 W, thậm chí hàng chục W + Dòng nuôi lớn: 350 mA

+ Điện áp nuôi: 3,0 đến 3,5 V

+ Phát ánh sáng trắng, nhiệt độ màu từ 3000K đến 10.000K

+ Được dùng trong các loại hình chiếu sáng

+ Hiệu suất sáng cao: 80 – 100lm/W, thậm chí đã có LED có hiệu suất 130lm/W

Phổ của LED trắng:

Hình 1.8: Phổ của LED trắng

1.2 SO SÁNH ĐÈN LED VỚI CÁC LOẠI ĐÈN KHÁC:

Ánh sáng phát của đèn LED có màu sắc phụ thuộc vào chất liệu làm ra nó

Ví dụ như đèn LED màu đỏ được làm từ các thành phần hóa học như nhôm, gali, xen Đèn LED màu trắng được tạo ra bằng cách bao phủ một lớp photphorơ màu vàng bên ngoài đèn LED xanh da trời Một bóng đèn LED công suất lớn có thể sản sinh ra lượng ánh sáng là 80 lumen (đơn vị quang thông), trong khi đó một bóng đèn sợi đốt tiêu chuẩn có công suất 60W có thể cung cấp lượng ánh sáng là 900 lumen Điều đó có nghĩa là một bóng đèn LED công suất lớn chỉ có thể cung cấp lượng ánh sáng bằng 1/11 so với một bóng đèn sợi đốt 60W Để có thể cung cấp đủ ánh sáng người ta phải sản xuất những cụm đèn LED, tuy nhiên thì tương lai vẫn thuộc về đèn LED khi mà những cải tiến đã nâng gấp đôi công suất chiếu sáng của loại đèn này trong 2 năm trở lại đây

a-1.2.1 Ưu điểm của đèn LED:

1 Tiêu thụ ít điện năng:

Hiện đã có những cải tiến đáng kể về công nghệ sản xuất đèn LED mà tiêu biểu là sự ra đời của OLED – đi ốt phát sáng hữu cơ, loại đèn LED có chứa các bon này thậm chí còn tiêu thụ điện năng ít hơn loại đèn LED đang phổ biến hiện nay

OLED được sử dụng làm “nguồn sáng tỏa” - tia sáng từ một điểm tỏa đến mọi phương với cường độ giảm theo khoảng cách

4 H ội tụ ánh sáng:

Mọi ánh sáng mà đèn LED phát ra đều hướng xuống dưới Một trong những

ưu điểm của đèn LED là nguồn sáng có kích thước nhỏ điều cho phép hội tụ ánh sáng vào vị trí mong muốn thông qua hệ thống gương Mặt khác, với loại đèn halogen và huỳnh quang, 50% ánh sáng chiếu xuống và 50% ánh sáng chiếu lên Lượng ánh sáng chiếu lên này hoàn toàn phí phạm nếu không được tái sử dụng bằng tấm phản xạ hay dụng cụ tương tự

5 Dễ dàng điều chỉnh cường độ sáng:

Đèn LED có thể được điều chỉnh độ sáng từ 0 đến 100% Điều này cho phép

mô phỏng các điều kiện tự nhiên, chẳng hạn như bình minh, hoàng hôn và mây mù Nếu đèn LED được điều chỉnh bằng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (pulse-width modulation) thì năng lượng tiêu thụ cũng giảm một khi độ sáng giảm xuống

6 Chất lượng ánh sáng thân thiện với con người:

Ánh sáng đèn LED không gây hiệu ứng nhấp nháy và không hề có bức xạ cực tím (cái này có ở đèn huỳnh quang)

7 An toàn cho người sử dụng:

Rất an toàn khi sử dụng trong môi trường ẩm ướt và dễ bắt lửa (trần xốp, )

vì sử dụng điện 1 chiều với bộ nguồn ngoài Không thể đảm bảo an toàn khi sử dụng các nguồn 220V cho các đèn chiếu sáng hang động (vô cùng ẩm ướt)

8 Thân thiện với môi trường

Lượng chất thải (đèn hỏng) mà LED thải ra (do tuổi thọ dài hơn nhiều) ít hơn rất nhiều so với đèn sợi đốt và compact (tuổi thọ ngắn), cộng với đó là việc không

sử dụng thuỷ ngân - nguyên nhân chính của việc ô nhiễm môi trường

Tất cả công đoạn sản xuất LED đều thuộc lĩnh vực công nghệ cao vì phải xử

lý chính xác các đơn vị có kích thước nano và phải chế tạo các màng bán dẫn thật mỏng trong môi trường thật sạch để đảm bảo tính năng và tuổi thọ của tim đèn Phản ứng tạo thành vật liệu bán dẫn phát sáng phải được thực hiện trong chân không, thực hiện trong phòng sạch, sạch hơn cả phòng bào chế y dược Chính công đoạn này đã đẩy giá LED lên cao, đây cũng chính là yếu điểm của LED vì chưa thể cạnh tranh về giá với các công nghệ chiếu sáng truyền thống

+ Ứng dụng rộng rãi trên các lĩnh vực: Bảng quảng cáo ngoài trời, bảng quang báo, biển quảng cáo tấm lớn trên đường cao tốc, hệ thống đèn giao thông, biển chỉ dẫn, và các sản phẩm khác như bảng chạy chữ điện tử, bảng hệ thống giờ, Bảng tỷ giá, bảng chứng khóan, hệ thống xếp hàng tự động…

+ Ðèn LED có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như đèn đọc, chiếu sáng bể bơi, nhất là cho chiếu sáng quảng cáo ngoài trời tại những nơi khó thay lắp, do

có tuổi thọ cao hơn nhiều lần so với bóng đèn nê-ông, đồng thời có nhiều mầu sắc phong phú như: đỏ, xanh lá, xanh da trời, mầu hổ phách Trên thực tế Công ty Electric General và Ilight Technologies of Evanston III đã tạo ra các biển quảng cáo bằng đèn LED rực rỡ như đèn nê-ông

+ Một đặc điểm khác của đèn LED là ít tiêu hao năng lượng và không nóng Bóng đèn truyền thống, đèn neon, đèn halogen đều cần từ 110-220 V mới cháy được, trong khi đèn LED trắng chỉ cần từ 3-24 V để phát sáng Do ít tiêu hao năng lượng nên đèn LED có thể sử dụng ở vùng sâu vùng xa mà không cần nguồn công suất lớn

Trong lĩnh vực chiếu sáng công cộng đèn LED được ứng dụng trong 2 lĩnh vực chính:

+ Chiếu sáng đường phố: Thay thế cho các loại đèn sử dụng bóng cao áp natri, bóng đèn cao áp thủy ngân

+ Chiếu sáng trang trí: Sử dụng thay cho bóng đèn sợi đốt, dây đèn trang trí; Viền các khung hoa văn, khung biểu tượng; Trang trí công trình công cộng, công trình kiến trúc

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ Led, các loại đèn Led chất lượng cao đã cho hiệu suất 100 Lm/W xấp xỉ so với hiệu suất của đèn Sodium, loại đèn được sử dụng chủ yếu trong chiếu sáng đường phố

+ Tuyến đường đầu tiên thắp sáng bằng đèn LED

Sở Giao thông vận tải TP.HCM và Công ty chiếu sáng công cộng TP đã lắp đặt 39 trụ đèn chiếu sáng bằng LED tại đường Thành Thái, Q.10, trở thành tuyến đường đầu tiên tại TP.HCM được chiếu sáng hoàn toàn bằng đèn LED

Hệ thống đèn chiếu sáng cũ sử dụng 39 bóng đèn natri cao áp tiêu thụ công suất 285W được thay thế bằng đèn LED thương hiệu FawooKidi - công suất 160W

cho chất lượng ánh sáng và độ đồng đều vượt trội Đèn LED chiếu sáng đường phố

có thể giúp tiết kiệm từ 43-65% điện năng tiêu thụ

Hình 1.9: đèn chiếu sáng bằng LED tại đường Thành Thái, Q.10 tại TP.HCM

Khi dùng hệ thống chiếu sáng cũ Hệ thống chiếu sáng dụng LED

1.3.2 Trong lĩnh vực chiếu sáng trang trí:

Trong lĩnh vực chiếu sáng trang trí đèn Led thể hiện ưu điểm vượt trội so với các loại đèn khác do:

+ Tạo ra nhiều mầu sắc khác nhau

+ Có thể điều khiển theo chương trình

+ Có thể điều khiển được độ sáng

+ Tuổi thọ cao, ít phải duy tu bảo dưỡng

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LED

Theo nguyên lý năng lượng cực tiểu, trong chất bán dẫn nếu điều kiện cho phép thì điện tử sẽ từ vùng dẫn có mức năng lượng cao nhảy về trạng thái trống trong vùng hóa trị để có năng lượng nhỏ hơn Khi điện tử chuyển mức năng lượng cao E2 về mức năng lượng thấp E1 , năng lượng thừa ra sẽ được phát dưới dạng photon

Như vậy có thêm các điều kiện:

+ Các hạt mang điện thuộc loại vùng trực tiếp

+ Các hạt mang điện phải nằm trong trạng thái không cân bằng

Trong các chất bán dẫn (đơn giản xét bán dẫn thuần) thường chỉ có ít điện tử

ở xung quanh đáy vùng dẫn và ít lỗ trống nằm ở xung quanh đỉnh vùng hóa trị Từ đây ta thấy rằng đối với bán dẫn vùng cấm xiên chuyển mức trực tiếp không xảy ra

vì điều kiện thứ nhất không được đảm bảo

Khi có thêm photon tham gia vào quá trình chuyển mức của điện tử trở thành chuyển mức xiên Chuyển mức xiên cũng làm phát xạ photon nên cũng là tái

hợp bức xạ Nhưng vì trong chuyển mức xiên phải có ba hạt tham gia nên xác suất xảy ra nó rất nhỏ

Trong bán dẫn vùng cấm trực tiếp chuyển mức trực tiếp đóng vai trò chủ đạo

và không cần quan tâm tới chuyển mức xiên Xác suất chuyển mức xiên xảy ra trong bán dẫn vùng cấm xiên là thấp và hầu như không xảy ra tái hợp bức xạ

Nói tóm lại bức xạ nói chung chỉ xảy ra trong bán dẫn vùng cấm trực tiếp và

cơ chế của nó là chuyển mức trực tiếp của điện tử từ một mức nằm xung quanh đáy vùng dẫn xuống một mức ở xung quanh đỉnh vùng hóa trị Chính vì vậy để chế tạo linh kiện diot phát quang người ta sử dụng bán dẫn vùng cấm trực tiếp như GaAs

Quá trình tái hợp chỉ xảy ra khi trong cùng một vùng không gian của bán dẫn phải có điện tử và lỗ trống Vì vậy có thể nói rằng nếu bán dẫn nằm trong trạng thái cân bằng thì quá trình tái hợp bức xạ hầu như không xảy ra cụ thể là:

+ Đối với bán dẫn thuần ở nhiệt độ thấp có rất ít điện tử trên vùng dẫn và ít

lỗ trống dưới vùng hóa trị nên xác suất chuyển mức của điện tử từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị là nhỏ

+ Trong bán dẫn pha tạp dono tại nhiệt độ mà ở đó mức tạp đã ion hóa hết có rất nhiều điện tử trên vùng dẫn nhưng lại có rất ít lỗ trống trong vùng hóa trị, do đó chuyển mức xảy ra rất ít và nếu có thể xảy ra thì các photon bức xạ rất dễ bị hấp thụ

+ Trong bán dẫn pha tạp accepto tại nhiệt độ ở đó mức tạp đã ion hóa hết có rất nhiều lỗ trống dưới vùng hóa trị nhưng lại có rất ít điện tử trên vùng dẫn, do đó chuyển mức cũng rất khó xảy ra và nếu có thể xảy ra thì các photon bức xạ cũng rất

dễ bị hấp thụ

Như vậy muốn bán dẫn xảy ra bức xạ tái hợp thì phải bằng cách nào đó đưa

nó khỏi trạng thái cân bằng, để nó chuyển nằm trong trạng thái không cân bằng

trong cùng một vùng không gian của bán dẫn, nồng độ điện tử trong vùng dẫn và

nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị đều vượt quá giá trị không cân bằng của chúng Hay nói cách khác không cân bằng sẽ có một nồng độ hạt tải dư Việc tạo ra nồng

độ hạt tải dư trong bán dẫn chính là quá trình tạo ra trạng thái đảo mật độ cần thiết cho hoạt động của LED, gọi quá trình đó là quá trình bơm, và người ta thường dùng phương pháp bơm điện

- Đó là cách dùng chuyển tiếp P-N được phân cực thuận thì hàng rào thế năng được hạ xuống thấp và điện tử sẽ được phun từ miền n sang miền p và ngược lại lỗ trống sẽ được phun từ miền p sang miền n Điều này tạo ra một nồng độ điện

tử dư δ (trong miền p sát biên chuyển tiếp) và nồng độ lỗ trống dư n δp(trong miền n sát biên chuyển tiếp), ta sẽ có một vùng không gian hẹp sát hai biên của chuyển tiếp vừa có nhiều điện tử vừa có nhiều lỗ trống Nhờ vậy mà tái hợp bức xạ được tăng cường quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng

- Sau khi đã có một chuyển tiếp p-n phân cực mạnh ở cả hai bên chuyển tiếp hoạt động ở chế độ phân cực thuận như trên thì ta sẽ có LED khi cho tái hợp xảy ra

tự phát Đây là nguyên lý hoạt động của LED

2.1.3 Cấu tạo của LED

Cấu trúc thực của LED được làm từ vật liệu bán dẫn loại n thường là GaAs hoặc GaAs1-yPy, sau đó pha tạp chất tạo một lớp p trên bán dẫn loại n này Như vậy người ta thu được một chuyển tiếp pn dị chất Khi phân cực thuận ánh sáng phát ra

từ mọi phía Tùy theo mục đích hướng ánh sáng về phía nào người ta chế tạo thêm một lớp hấp thụ ánh sáng hay lớp trong suốt để sau đó ánh sáng phản hồi qua gương

Hình 2.2: Cấu hình LED phẳng GaAs

Để làm tăng dòng photon nội một cách đáng kể, cần phải tạo ra nhiều điện tử

và lỗ trống trong cùng một miền không gian gọi là miền tích cực Điều này có thể thực hiện dễ dàng bằng cách đặt lớp chuyển tiếp pn phân cực thuận Nếu cường độ dòng điện qua diot là i

Kim loại

Đế GaAs GaAs 1-y P y

Kim loại SiO 2

Tổng số hạt qua miền chuyển tiếp trong 1 giây là i/q

q là điện tích của hạt tải

Tốc độ phun hạt tải là

V

q i

i

η là tỷ số của các photon được sinh ra và số điện tử được phun vào chuyển tiếp được gọi là hiệu suất lượng tử

Trong diot phát quang dòng photon nội được sinh ra trong chuyển tiếp được phát điều theo mọi hướng, nhưng dòng ló ra từ LED phụ thuộc vào hướng bức xạ

Hình 2.3: Các hướng phát ra của LED và dòng ló ra bên ngài

Dòng photon ngoài tức là dòng photon ló được ra phía ngoài, kí hiệu là φ 0

q

ii e

exφ η η η

φ0 = =

( 2.6 )

η hệ số truyền qua toàn phần, biểu thị số phần của dòng photon ló được ra

bên ngoài cấu trúc LED

i e

ex η η

η = là hiệu suất lượng tử ngoài, biểu thị số photon thoát ra

ngoài dụng cụ và số hạt tải phun vào trong thời gian 1s

Khi đó φ0 = ηex q i

( 2.7 )Công suất của LED được kí hiệu là P0 sẽ tỷ lệ với dòng photon ngoài

q

i hv hv

U là hiệu điện thế đặt vào dụng cụ LED

Đối với LED thông thường hv ≈qU nên η = ηex

φ

ex ex

i

hv i

hv i

P

( 2.10 )

v

c

=0

Với LED thông thường ηex có giá trị trong khoảng 1÷ 5% Do đó độ nhạy

của LED có giá trị từ 10÷50µ w/mA Công suất quang P0 phải tỷ lệ với dòng phun

vào i

Nhưng trong thực tế, quan hệ này chỉ đúng trong một khoảng hẹp thí dụ hình dưới dẫn ra đặc trưng P0(i) của LED, thường gặp P0 tỷ lệ với i khi i < 75mA Trong miền này độ nhạy có giá trị không đổi bằng 25µ w/mA Với dòng lớn hơn độ nhạy

không còn là hằng số nữa mà giảm khi i tăng

Tốc độ phát quang được biểu diễn như sau:

T k

E hv E

hv D r

B

g g

v sp

E E E h

m D

B

g fv fc r

=

τ π

Dòng điện i(mA)

Công suất quang

0

B g

+ Ωτ

ℜ

=Ω

ℜ

j

1)(

Nếu thời gian tăng lên của LED kí hiệu là τ giây thì độ rộng của băng tần số

ở chỗ suy giảm 3 dB sẽ được tính như sau:

( )

2

1

Hz B

Muốn tăng băng tần B thì phải giảm giá trị τ Do 1/τ = 1/τ r +1/τ rn , nên nếu giảm thời gian sống của hạt tải không bức xạ τ nr t hì τ sẽ giảm, khi đó lại kéo theo sự giảm của hiệu suất lượng tử nội (

r

η = ) đó là điều không mong muốn

Do vậy chúng ta cần chọn phương pháp tối ưu Trong thực tế người ta muốn tăng tích số ηi B πτr

2

1

= hơn là chỉ tăng băng tần B Điều này có thể làm được bằng cách chỉ giảm τr Muốn giảm τr người ta chọn vật liệu bán dẫn có nồng độ pha tạp chất thích hợp Thông thường thời gian tăng của các LED nằm trong khoảng từ 1 đến 50ns, ứng với độ rộng dải lớn cỡ vài trăm MHz

Giản đồ định hướng của ánh sáng phát ra được vẽ trên hình 2.6

a, Không có thấu kính: giản đồ phát có dạng tròn, không định hướng cao

b, Có thấu kính bán cầu: có định hướng tốt hơn nhưng góc vẫn to

c, Có thấu kính parabol: có định hướng tốt nhất, góc định hướng hẹp và mạnh

Các thấu kính làm bằng epoxy thường làm giảm sự mở rộng góc của chùm sáng

Hình 2.6: Giản đồ phát sáng không gian của LED

Ánh sáng phát ra có thể được điều biến dễ dàng theo kĩ thuật tương tự như

kĩ thuật số nhờ điều khiển dòng phun Hoạt động của các mạch này có thể được hoàn thiện bằng cách bổ xung các mạch điện điều chỉnh dòng, mạch phối hợp trở kháng, mạch bù trừ phi tuyến, mạch phản hồi quang …

+ -

2.1.5 Vật liệu, công nghệ chế tạo và cấu trúc của LED

2.1.5.1 V ật liệu

Như đã biết để chế tạo LED phải dùng bán dẫn vùng trực tiếp, do đó Si và

Ge không thích hợp và vật liệu người ta thường dùng nhất là các chất bán dẫn hợp chất A3B5

Để dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau hiển nhiên người ta muốn có các linh kiện bán dẫn phát ra nhiều loại ánh sáng khác nhau Vì vậy vấn đề đặt ra là làm sao thay đổi ánh sáng phát ra của các linh kiện bán dẫn phát quang Để làm được như vậy người ta phải trộn các bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác nhau Vấn đề hai bán dẫn có trộn lẫn được với nhau hay không chủ yếu do hằng số mạng của chúng quyết định, việc trộn chỉ có thể thực hiện được nếu như tinh thể sau khi trộn có hằng

số mạng thay đổi không quá 0,1% so với mạng gốc Rất may là các hợp chất A3B5

có thể trộn lẫn được với nhau thành các hệ 3 thành phần hoặc 4 thành phần Trong công nghệ chế tạo các vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm thay đổi, hiện nay người ta đã hoàn thiện hai công nghệ sau:

a, Vật liệu ban đầu là GaAs, sau đó thay Ga bằng Al để tạo thành hợp chất

GaxAl1-xAs có hằng số mạng hầu như không thay đổi so với GaAs nhưng có độ rộng vùng cấm(tính theo đơn vị là ev) thay đổi theo công thức thực nghiệm sau đây

x x

E g( )=1,424+1,247

b, Vật liệu ban đầu là InP, sau đó thay In bằng Ga và P bằng As để có bán

dẫn hợp chất 4 thành phần In1-xGaxAsyP1-y có hằng số mạng gần như không thay đổi so với InP nhưng có độ rộng vùng cấm thay đổi theo công thức thực nghiệm sau đây:

∆E g(y) =1,35−0,72y+0,12y2, với 0≤ y ≤1

( 2.17 )Một số đặc điểm cần chú ý:

- Phần lớn hợp chất A3B5 đều phát quang trong vùng hồng ngoại Nhưng hợp chất GaxAl1-xAs có thể dịch chuyển bước sóng phát quang về phía ánh sáng đỏ Đây chính là cách để có các LED phát ánh sáng đỏ

- Không có hợp chất A3B5 phát ra ánh sáng mầu xanh dương

- GaP là chất bán dẫn chủ yếu để chế tạo các linh kiện phát quang trong vùng xanh lá cây- vàng- da cam

- Hiện nay công nghệ truyền thông quang, đặc biệt là sợi quang chủ yếu làm việc trong vùng ánh sáng hồng ngoại Hợp chất A3B5 chủ yếu để tạo linh kiện phát quang trong vùng này là hỗn hợp của InP với GaAs theo tỷ

lệ khác nhau

Nói chung hầu như tất cả các linh kiện phát quang bán dẫn đều được chế tạo bằng công nghệ epitaxy

Về mặt cấu trúc thì mặc dù cơ sở của mọi diot phát quang đều là chuyển tiếp p-n, nhưng cùng với thời gian, cấu trúc của chúng đã trải qua các bước phát triển sau đây:

+ Chuyển tiếp p-n đồng chất: đây là cấu trúc được sử dụng trong thời gian đầu, khi người ta mới phát minh ra LED

+ Chuyển tiếp p-n dị chất đơn: Kressel và Nelson là những người đầu tiên đã đưa ra cấu trúc này

+ Chuyển tiếp p-n dị chất kép: do Alferov đưa ra đầu tiên và hiện nay là cấu trúc được dùng chủ yếu, hầu như cho tất cả mọi LED

Việc dùng cấu trúc chuyển tiếp p-n dị chất kép có rất nhiều ưu điểm:

+ Cấu trúc chuyển tiếp p-n dị chất kép với các lớp có độ rộng vùng cấm lớn hơn bao quanh vùng tái hợp phát xạ có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn sẽ làm tăng hiệu suất phát quang do kết quả hiệu ứng “nhốt hạt tải”

+ Vùng tái hợp phát xạ có chiết suất lớn nằm giữa hai vùng có chiết suất nhỏ hơn sẽ có tác dụng như một ống dẫn sóng ánh sáng, hay nói cách khác hiệu suất phát quang ở đây tăng lên do kết quả của hiệu ứng “nhốt ánh sáng” Nếu xét theo vị trí phát quang thì LED có thể được chia ra làm hai loại: LED phát xạ từ bề mặt và LED phát xạ từ cạnh bên

LED phát ánh sáng bề mặt sẽ phát kiểu ánh sáng từ dụng cụ theo chiều vuông góc với mặt phẳng lớp chuyển tiếp Ánh sáng phát ra từ mặt đối diện bị hấp thụ bởi đế của linh kiện rồi mất mát, hoặc bị phản xạ từ tiếp xúc kim loại nếu dùng

đế trong suốt Ngày nay với công nghệ tiên tiến và với việc sử dụng vật liệu có vùng cấm hẹp làm vùng tích cực có thể chế tạo được các loại LED có chất lượng cao Dựa trên cơ sở lý thuyết về Led ta sẽ đi sang tìm hiểu các phương hướng công nghệ Led

2.2 CÁC PHƯƠNG HƯỚNG CÔNG NGHỆ LED

Một xu hướng đầu tiên là vi chip Với mục đích là thu nhỏ kích thước của chip LED xuống sao cho chiều rộng 150μm và sâu 100μm phù hợp cho sản xuất hàng loạt

Hướng thứ hai là tăng công suất, hiệu suất, giảm nhiệt trong Led chiếu sáng

Hình 2.7: Hai phương hướng công nghệ

Để làm được điều đó thì khuynh hướng công nghệ cần phải

+ Cải tiến công nghệ epitaxy làm tăng hiệu suất lm/W

+ Đế tiêu chuẩn (SiC, Sapphine và GaAs) Công nghệ màng mỏng thin film GaAs, InGaN Công nghệ màng mỏng thin film làm tiêu thụ điện năng ít hơn và giảm khả năng chịu nhiệt đến mức tối thiểu Tuy nhiên nó lại đòi hỏi điều khiển chính xác quang khắc, chiều rộng chiều sâu chỉ có hàng chục micro nên là vật liệu rất nhạy ánh sáng

+ Xếp chồng chính xác các lớp (3-8 lớp photo) tiết kiệm vật liệu, giảm kích thước + Độ chính xác cơ học của phiến (wafer) đóng vai trò quan trọng trong mọi sản phẩm

+ Tạo ra bộ vi phản xạ bằng quang khắc trong cấu trúc Led

+ Hiệu ứng dẫn song trong cấu trúc Led để phát xạ với góc lớn hơn góc phản xạ tới hạn

Quy trình chế tạo đèn LED trải qua hai giai đoạn chính là chế tạo tim đèn trước rồi gắn với hai điện cực tạo thành bóng đèn Hai điện cực này có độ dài khác nhau, chân dài là anod (điện cực dương), ngắn hơn là catod (điện cực âm)

Tim đèn là phần nối giữa hai điện cực, gọi là LED chip, được làm bằng vật liệu bán dẫn bao gồm các kết hợp khác nhau của gali, indi, asen, nitơ, và phốt pho Linh kiện bán dẫn phát sáng hiện nay được chế tạo trên một đế rắn gọi là Wafer, thông thường có đường kính 5cm, sau đó cắt thành 10.000 miếng nhỏ để trở thành chip phát sáng Quá trình chế tạo tiếp theo người ta đóng gói miếng nhỏ lại trong những môi trường trong suốt Phát quang được đèn LED cần nguồn điện một chiều Khác với đèn sợi đốt truyền thống hay đèn huỳnh quang, bóng LED không cần chân không hoặc khí trơ Tất cả các công đoạn sản xuất đèn LED đều thuộc lĩnh vực công nghệ cao vì phải xử lý chính xác các đơn vị có kích thước thật nhỏ và phải chế tạo màng bán dẫn thật mỏng trong môi trường thật sạch để đảm bảo tính năng và tuổi thọ của đèn Dòng điện một chiều đi qua làm chuyển động khuếch tán các điện tích âm và dương giữa hai điện cực, và giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng

Tùy vào loại vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo LED chip mà cho ra các đèn LED với màu sắc khác nhau

GaP cho ra LED vàng  Indium gallium nitride (InGaN) cho

ra LED xanh biển

Gallium arsenide phosphid  Gallium aluminum arsenide

(GaAsP) tạo ra LED đỏ (GaAlAs) cho ra LED xanh lá,

 Để tạo nên Led màu trắng ta có thể thực hiện theo 2 công nghệ:

Sử dụng Phốt pho hấp thụ ánh sáng xanh và hồi phát thành ánh sáng trắng Trên hình vẽ 2.8 a là led siêu sáng màu trắng được tạo bởi Led xanh có phủ phốt pho Hình 2.8 b là do LED này tạo ra,có thể đạt nhiệt độ màu 5000K và CRI=90,công suất mỗi chip có thể lên tới 5W, hiệu quả năng lượng thông thường 60lm/W, có thể đạt tới 150lm/W trong phòng thí nghiệm

a) b)

Hình 2.8: Tạo nên LED trắng ( hình b ) nhờ phủ phốt pho lên LED xanh ( hình a )

* Bố trí LED đỏ (a), da trời (b) và xanh lá cây (c) gần nhau, chúng hòa màu và tạo

nên màu trắng (d) Hiện nay LED màu đỏ và da cam có hiệu suất sáng 17-23 lm/W, cao hơn đèn sợi đốt một chút nhưng vẫn kém xa các đèn phóng điện

a) b) c) d)

Hình 2.9: Tạo nên LED màu trắng từ LED đỏ, xanh, lơ

* Để tăng công suất của nguồn sáng người ta sử dụng ma trận LED gồm các chip LED được mắc nối tiếp hoặc song song Hình 2.10 là đèn ống gồm các chip LED mắc nối tiếp có hiệu quả tương tự đèn ống huỳnh quang

Hình 2.10: Đèn ống LED

Quy trình công nghệ sản xuất Led

Hình 2.11: Mô hình quy trình công nghệ sản xuất LED Quy trình công nghệ sản xuất Led gồm các công đoạn sau:

1 Linh kiện: bao gồm Sapphire tổng hợp, Gallium, Indium, Sillicon Carbide (SiC), Aluminum, Epoxy resin, Copper, Glass, Plastic

2 Vật liệu: Chip Led, dây dẫn, đầu nối, Diot, trình điều khiển thiết bị, lớp bọc epoxy, thấu kính, bảng mạch in, Reflector cup,

3 Sản phẩm: Thiết kế sản phẩm, đèn Led và đèn, đồ đạc, Marketing

4 Phân phối: Internet, phân phối trực tiếp cho những nhà xây dựng, Chính phủ, đại lý bán lẻ lớn (Tiềm năng trong tương lai bán hàng) – khu dân cư

5 Nơi sử dụng: Khu công nghiệp, khu thương mại, ngoài trời

Các linh kiện chế tạo LED và vật liệu tương ứng

Hình 2.12: Các linh kiện chế tạo LED và vật liệu tương ứng

Epoxy resin ( nhựa epoxy )

Aluminum (nhôm )

Copper foil (lá đồng )

Nhôm indium gallium phosphide

Indium gallium

Phenonic paper (giấy Phenonic)

Driver

Reflector cup ( gương phản chiếu

) Substrate (chất nền ) Optics (lens) (thấu kính ) Wafer (phiến, đế ) Bond wire (dây liên kết )