báo cáo đề tài vật lí bán dẫn đề tài đèn led

Chất lượng bề mặt và hình dáng của lăng kính rất quan trọng để đảm bảo sự lan truyền của ánh sáng và để hạn chế tổn thất trong sản lượng ánh sáng.b.Chip LED phần tử phát sáng:Bản chất củ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Lời cảm ơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn khoa học thầy Trần Hoàng Linh đãtận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành đề tài khoa học này.

Em chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong và ngoài trường, bạn bè, anh chị đã giúp đỡ vàhỗ trợ chúng em thực hiện các thủ tục trong khi làm đề tài

Một lần nữa, chúng em xin trân trọng cảm ơn!

III/ Phân loại………… ……… …………8

1 Theo công suất ……… ……… 8

I/ Sơ lược về đèn Led:

1 Lịch sử ra đời:

- Điốt bán dẫn phát sáng đầu tiên được biết đến vào năm 1907 bởi nhà thí nghiệm người Anh H.J Round tại phòng thí nghiệm Marconi khi ông làm thí nghiệm với tinh thể SiC(Silic và Cacbon) Sau đó, nhà khoa học Nga Oleg Vladimirovich Losev đã tạo ra LED đầu tiên, nghiên cứu sau đó đã bị quên lãng do không có ứng dụng nhiều trong thực tiễn Năm 1955, Rubin Braunstein đã phát hiện ra sự phát xạ hồng ngoại bởi hợp chất GaAs(Gallium và Arsenide) và một số hợp chất bán dẫn khác.

- Năm 1961, hai nhà thí nghiệm là Bob Biard và Gary Pittman làm việc tại Texas Instruments đã nhận thấy rằng hợp chất GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện tác động và sau đó Bob và Gary được cấp bằng sáng chế ra điốt phát hồng ngoại - LED phát ánh sáng đỏ đầu tiên được phát triển vào năm 1962 bởi nhà nghiên cứu khoa học Nick Holonyak Jr trong khi ông đang công tác tại công ty General Electric Sau đó ông chuyển tới trường đại học Illinois và tại đây

ông đã được gặp “cha đẻ của điốt phát xạ”, M George Craford George là người đã phát minh ra bóng LED có màu vàng đầu tiên có cường độ sáng gấp 10 lần ánh sáng của bóng LED màu đỏ và màu cam vào năm 1972 Năm 1976, T.P Pearsall đã tạo ra LED hiệu suất cao có ứng dụng quan trọng cho lĩnh vực thông tin liên lạc bằng sợi quang.

2.Định nghĩa đèn Led:

LED viết tắt của Light-Emitting-Diode có nghĩa là “đi-ốt phát sáng”, là một nguồn sáng phát sáng khi có dòng điện tác động lên nó - điốt phát quang là một linh kiện điện tử dựa trên chuyển tiếp p-n LED có cấu trúc cơ bản của một điốt Cấu trúc cơ

Nick Holonyak Jr.

bản của LED gồm hai lớp bán dẫn p, n ghép với nhau qua lớp tiếp xúc công nghệ Hoạt động của LED dựa trên hoạt động của chuyển tiếp p-n.

II/ Cấu tạo và nguyên lí hoạt động:

1 Cấu tạo:

a. Lăng kính:

Ánh sáng đèn LED là ánh sáng hướng Góc phân bố ánh sáng tiêu chuẩn của đèn LED là 180 độ và ánh sáng phát ra vào khoảng nửa trên của bóng đèn Đối với một số đèn LED, góc phân bố có thể điều chỉnh được, có chùm hẹp, rộng khách nhau Góc chiếu sáng có thể được thay đổi bằng lăng kính Lăng kính Polycarbonate được ưu tiên sử dụng vì chúng ít cản ánh sáng và tương đối dễ sản xuất Chất lượng bề mặt và hình dáng của lăng kính rất quan trọng để đảm bảo sự lan truyền của ánh sáng và để hạn chế tổn thất trong sản lượng ánh sáng.

b.Chip LED (phần tử phát sáng):

Bản chất của LED là một đi-ốt, nó chứa một chíp bán dẫn có pha các tạp chất để tạo ra một tiếp giáp P-N, kênh P chứa lỗ trống, kênh N chứa điện tử, dòng điện truyền từ A-nốt( kênh P) đến K-tốt (kênh N), khi điện tử lấp đầy chỗ trống nó sinh ra bức xạ ánh sáng, các bước sóng phát ra có màu khác nhau tùy thuộc vào tạp chất trong chíp bán dẫn LED phân thành ba loại chính theo dải công suất: cỡ nhỏ, cỡ trung bình, cỡ lớn.

c. Mạch in của bóng đèn LED:

Chất lượng mạch in, chất lượng mối hàn giữa LED với mạch in ảnh hưởng đến lớn đến độ bền của đèn, trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như Việt nam, nếu chất lượng của mạch in và mối hàn không tốt dễ gây oxi-hóa đứt mạch in, không tiếp xúc làm cho đèn không thể phát sáng sau một thời gian sử dụng Trong thực tế người ta có thể sử dụng mạch in thường, hoặc bằng nhôm, gốm cho phép tản nhiệt nhanh cho loại đèn LED công suất trung bình và lớn.

d.Bộ nguồn:

Bộ nguồn cấp điện cho bóng LED siêu sáng phải đảm bảo cung cấp dòng điện và điện áp ổn định phù hợp lới loại LED đang sử dụng các linh kiện chế tạo bộ nguồn phải có tuổi thọ sử dụng tương đương với tuổi thọ của LED.

e. Bộ phận tản nhiệt:

Phần tản nhiệt cho đèn LED được thiết kế nhằm đưa phần tinh thể phát sáng xuống nhiệt độ thấp nhanh nhất, bộ phận này đặc biệt quan trọng khi thiết kế đèn LED công suất lớn, nếu bộ phận tản nhiệt này có kết cấu không phù hợp thì phần tử LED sẽ nhanh bị già, hiệu suất phát sáng giảm đi đáng kể.

f. Vỏ:

Để đảm bảo cho đèn hoạt động ổn định và bền, vỏ đèn được chế tạo để có độ chống thấm nước cao, đồng thời đảm bảo khả năng tỏa nhiệt nhanh chóng.

2 Nguyên lí hoạt động:

- Hoạt động của LED dựa trên công nghệ bán dẫn Trong khối điốt bán dẫn, electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và sự chênh lệch năng lượng này được phát xạ thành những dạng ánh sáng khác nhau.

+ Hiện tượng phát quang: Các điện tử ở lân cận cực tiểu vùng dẫn sau một thời gian tồn tại ở đây có thể chuyển mức xuống trạng thái trống trong vùng hóa trị, tái hợp với lỗ trống và phát ra một photon.

+ Đối với một chất bán dẫn, đây là quá trình tái hợp bức xạ tự phát, không phụ thuộc vào mật độ phổ năng lượng của bức xạ điện từ bên ngoài.

+ Xét chuyển tiếp p-n ở trạng thái không phân cực tại cả vùng nghèo và vùng trung hòa Do hệ đã thiết lập trạng thái cân bằng,do đó số điện tử tái hợp bằng số điện tử phát xạ Mật độ dòng photon phát ra rất nhỏ, phần lớn bị hấp thụ do đó không có hiện tượng phát quang.

+ Xét chuyển tiếp p-n ở trạng thái phân cực thuận Tại vùng nghèo do hiện tượng khuếch tán và phun hạt dẫn Nồng độ hạt dẫn dư ( điện tử và lỗ trống) tại vùng nghèo tăng đột ngột,để thiết lập lại cân bằng các điện tử và lỗ trống tái hợp theo cơ chế tái hợp tự phát và phát ra các photon Do tác dụng của điện áp thuận đặt vào lớp chuyển tiếp,vùng nghèo luôn luôn ở trạng thái thừa hạt dẫn, do đó mật độ dòng photon phát ra

từ vùng nghèo luôn được duy trì tạo thành chùm sáng thoát ra khỏi lớp chuyển tiếp + Trong trường hợp chuyển tiếp p-n ở trạng thái phân cực ngược Dòng ngược là dòng của hạt dẫn thiểu số rất nhỏ dẫn tới mật độ dòng photon phát ra quá nhỏ, phần lớn bị hấp thụ trở lại do đó không có ánh sáng phát ra.

+ Như vậy, điện áp thuận đặt vào LED sẽ tạo ra hiện tượng phun hạt dẫn qua lớp chuyển tiếp, qua đó làm tăng đột ngột nồng độ hạt dẫn dư, sự tăng nồng độ hạt dẫn dư làm xuất hiện sự tái hợp bức xạ để trở về trạng thái cân bằng.

- Mức năng lượng, màu sắc của LED phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn Do đó, tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát khác nhau, tức màu sắc của LED sẽ khác nhau.

III/ Phân loại: Có nhiều cách phân loại LED khác nhau.

1 Theo công suất: cỡ nhỏ, cỡ trung bình, cỡ lớn.

- Cỡ nhỏ: tiêu thụ dòng điện từ 2 mA đến 20 mA điện áp đặt trên chíp từ 1.5V đến 3V, chúng được thiết kế đơn chiếc phục vụ cho mục đích hiển thị trạng thái của máy, chiếu sáng cục bộ.

- Cỡ trung bình: được thiết kế có chân cắm để hàn vào mạch in hoặc thành chíp 4 chân để giúp tản nhiệt tốt, chúng được ghép thành bảng mạch với nhiều LED nối tiếp hoặc song song Loại đèn LED này thường sử dụng làm các biển báo, đèn chiếu hậu ô-tô, đèn chiếu sáng khẩn cấp, chúng tiêu thụ dòng điện cỡ 100 mA.

- Cỡ lớn (HPLED): tiêu thụ dòng điện vài trăm mA đến vài Ampe, do tiêu thụ dòng điện lớn nên loại này nhất thiết phải gắn với một bộ tỏa nhiệt tốt, nếu không HPLED sẽ hỏng sau vài giây Hiệu suất của HPLED rất cao có thể lên tới 105 lm/W.

2 Theo màu sắc: - Đèn LED trắng:

+ Đèn LED ánh sáng trắng được phát triển bằng cách đặt một hợp chất phốt pho trên đầu trang của một đèn LED màu xanh Ở đây, ánh sáng của một đèn LED màu xanh kích thích các nguyên liệu phát quang làm thay đổi một phần của ánh sáng màu xanh

+ Độ bao phủ ánh sáng màu xanh không được hấp thu với ánh sáng màu vàng phát ra ánh sáng trắng chất liệu phát quang được tạo ra Nồng độ chất liệu phản quang cần phải được hướng dẫn chính xác để các màu trắng mong muốn được thực hiện.

+ Một trong những thách thức lớn nhất là để tạo ra một ánh sáng 'trắng' ổn định Trước đó và rẻ hơn đèn LED 'trắng' thường phát ra ánh sáng "trắng" với một ánh màu xanh hoặc màu sắc khác.

- Đèn LED màu: Đèn LED tạo ra bức xạ đơn sắc và tông màu của họ được xác định bởi bước sóng chiếm ưu thế Có đèn LED trong các màu đỏ, cam, vàng, xanh lá cây và xanh dương.

- Đèn LED RGB: Red, Green, Blue (RGB) LED cho phép các nhà thiết kế, khách hàng hoặc người tiêu dùng có cơ hội để tạo ra một mảng hiện tượng hiệu ứng ánh sáng bằng cách pha trộn tỷ lệ khác nhau của đỏ, xanh hoặc xanh.

IV/ Ưu điểm và nhược điểm của đèn LED:

1 Ưu điểm:

a Sản lượng ánh sáng:

- Năm 2002, sản lượng ánh sáng từ đèn LED đã ở mức 20 lm/W Đến ngày hôm nay các thiết bị đèn LED thương mại có hiệu suất lên 150 lm/W Và theo báo cáo các bóng đèn thử nghiệm đã cho ra sản lượng ánh sáng lên đến 208 lm/W Hiệu suất đạt được đã vượt xa ánh sáng được sản xuất bởi bóng đèn sợi đốt (15 lumen / watt) hoặc đèn huỳnh quang (80-95 Lumens trên mỗi watt) Với hiệu suất cao hơn, đồng nghĩa với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, như vậy thì khả năng hoàn vốn khi sử dụng đèn LED so với các bóng đèn truyền thống trên là chỉ trong khoảng trên dưới 1 năm tùy theo thời lượng sử dụng.

b Tuổi thọ:

- Đèn LED có tuổi thọ từ 30.000 đến 100.000 giờ Hầu hết các đèn LED thương mại có tuổi thọ từ 30.000 đến 50.000 giờ Điều này có nghĩa là khi sử dụng đèn LED, bạn có thể sử dụng chúng kéo dài từ 10 đến 30 năm, tùy thuộc vào số giờ hoạt động mỗi

phù hợp với các vị trí khó tiếp cận, như đèn nhà xưởng hay đèn đường, là những nơi có chi phí bảo trì đáng kể.

c Đặc tính hoạt động:

- LED hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn, không nhạy cảm với nhiệt độ thấp và không bị ảnh hưởng khi bị bắt tắt thường xuyên Điều này làm cho chúng an toàn hơn, hiệu quả hơn trong môi trường lạnh (đèn ngoài trời, đèn tủ lạnh và đèn kho lạnh) và tốt hơn cho các ứng dụng đòi hỏi phải thường xuyên chuyển mạch và tắt đèn Những bóng đèn không bị ảnh hưởng bởi rung động khiến chúng trở thành lựa chọn tốt nhất cho những chỗ như cầu.

- Đèn LED sáng lên rất nhanh Một đèn LED chỉ thị màu đỏ điển hình sẽ đạt được độ sáng đầy đủ trong micro giây.Đèn LED được sử dụng trong các thiết bị truyền thông có thể có thời gian đáp ứng nhanh hơn.

- Đèn LED rất lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi thường xuyên bật/tắt, không giống như đèn HID cần thời gian dài trước khi có thể khởi động lại.

d Chống sốc:

- Các thành phần hoạt động của đèn LED được cách ly với bề mặt bên ngoài với một lớp cách điện chất lượng cao Các điện cực được và gói đèn LED và cách thành phần điện tử đều nằm trong vỏ bọc an toàn Một lớp vật liệu giữa LED và tản nhiệt đảm bảo rằng không có dòng điện nào có thể rò rỉ vào tản nhiệt.

e Chống rung:

- Các điện cực được bọc trong lớp nhựa acrylic trong suốt, không có dây tóc bóng đèn do đó, đèn LED có khả năng chống rung động Nhiều người sử dụng ôtô, xe gắn máy và các thiết bị đi lại đã chuyển qua sử dụng đèn LED vì ưu điểm này.

f Thân thiện với môi trường xung quanh:

- Phần lớn các đèn truyền thống đều có chứa chất gây hại, khó tái chế, yêu cầu phải có biện pháp thích hợp khi xử lý tiêu hủy Ví dụ như bóng đèn cao áp sodium có chứa natri là chất dễ bay hơi khi tiếp xúc với không khí dễ gây cháy nổ, bóng đèn huỳnh

Đèn led không chứa vật liệu độc hại và có thể tái chế 100% Tuổi thọ hoạt động lâu dài của đèn led như đã đề cập ở trên cũng đồng nghĩa với việc tiết kiệm nguyên vật liệu và năng lượng để sản xuất ra nó Giải pháp chuyển sang sử dụng đèn led sẽ giúp ta giảm lượng khí khải carbon xuống còn 1/3 và là một bước tiến lớn hướng tới một tương lai xanh hơn.

- Tia hồng ngoại và tia tử ngoại (tia UV) là dạng bức xạ không nhìn thấy được phát ra từ hầu hết các loại nguồn sáng tự nhiên và nhân tạo, tia UV là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng làm lão hóa vật chất.

Ánh sáng LED phát ra rất ít tia hồng ngoại và không phát ra tia UV, như vậy ánh sáng led không chỉ thích hợp với tất cả các môi trường cần chiếu sáng nhân tạo nói chung mà còn đặc biệt thích hợp với các ứng dụng chiếu sáng cho các vật liệu nhạy cảm tia UV như chiếu sáng các đồ vật trong viện bảo tàng, chiếu sáng phòng trưng bày nghệ thuật, chiếu sáng khu khảo cổ học…

g Độ phân tán ánh sáng:

- Các nguồn sáng nhân tạo thông dụng thường phát ra ánh sáng theo mọi hướng, trong thực tế ứng dụng thì thường phải kết hợp thêm phản quang để tập trung ánh sáng đến một vị trí cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả chiếu sáng Đèn led có hiệu quả chiếu sáng tốt hơn vì cấu tạo của chipleds là khi chưa cần đến phản quang thì bản thân nó đã phát ra ánh sáng về một phía theo một hướng góc khối, người ta có thể kết hợp thêm thấu kính phân bố ánh sáng nhằm mục đích mang lại hiệu quả chiếu sáng tốt hơn theo mong muốn.

2 Nhược điểm:

a.Đèn led cực kỳ nhạy cảm với nhiệt độ cao:

- Tuổi thọ của đèn led liên quan lớn tới nhiệt độ môi trường lắp đặt, đặc biệt với những loại sản phẩm công suất cao Mặc dù hiệu suất sử dụng năng lượng của loại đèn này đem lại hiệu quả vượt trội so với nhiều nguồn sáng truyền thống, tuy nhiên vẫn có khoảng 20% lượng điện năng bị thất thoát thành nhiệt tỏa ra môi trường xung

- Nếu làm việc trong môi trường nhiệt độ cao bóng đèn sẽ bị hư hỏng vĩnh viễn hoặc hiệu suất chiếu sáng của nó sẽ giảm rõ rệt.

- Bộ chuyển đổi nguồn điện led driver không đạt chất lượng cũng có thể gây ra vấn đề về nhiệt độ trong thiết bị, khiến đèn dễ bị chập cháy Ngoài ra bộ phận tản nhiệt cùng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo nhiệt độ phù hợp cho chúng hoạt động Nhiều loại đèn có chất liệu của bộ phận tản nhiệt không tốt khiến cho việc dẫn nhiệt từ chip led ra ngoài gặp vấn đề, điều này cũng tác động không nhỏ đến độ bền của sản phẩm.

b Chi phí mua và lắp đặt:

- Trước tiên phải khẳng định rằng, đèn led đắt hơn so với các loại đèn chiếu sáng khác.

Mặc dù các nhà sản xuất luôn cải tiến quy trình sản xuất, tối giản các công đoạn để giảm thiểu tối đa chi phí sản xuất nhằm hạ giá thành sản phẩm nhưng với phần lớn người tiêu dùng tại thị trường Việt Nam thì giá của bóng đèn led vẫn đắt gấp 2-3 lần bóng đèn truyền thống.

- Nói về chi phí lắp đặt, đèn chiếu sáng công nghệ led yêu cầu quá trình lắp đặt phức tạp hơn đèn truyền thống, phải tìm được vị trí lắp đặt tối ưu để đèn cho ánh sáng tốt và quan trọng hơn cả là việc tản nhiệt cho đèn thuận lợi, có như vậy sản phẩm mới bền Thường các gia đình hay các doanh nghiệp nếu thay thế hệ thống đèn chiếu sáng trong nhà/ cơ quan bằng đèn led thì sẽ cần thuê thợ điện chuyên nghiệp để việc lắp đặt được hiệu quả, an toàn.

c Đèn LED nhấp nháy:

- Hầu hết đèn led có ánh sáng nhấp nháy Việc đèn led bị nhấp nháyđược lý giải là do các gợn sóng lớn trong dòng điện DC được cung cấp cho SSL Ngoài ra còn có lý do là việc cung cấp điện năng cho nguồn sáng không đều đặn, cung cấp điện áp cho thiết bị từ dây nguồn AC không đảm bảo Sản phẩm phát ra ánh sáng bằng cách cung cấp nguồn điện thông qua một bộ chuyển đổi nguồn điện là led driver Khi nguồn điện cung cấp bởi bộ led driver không ổn định, ánh sáng phát ra từ đèn có thể nhấp nháy

d Ô nhiễm ánh sáng trong môi trường:

- Ánh sáng tràn lan ở mọi nơi và gây ra hiệu ứng hào quang hay còn gọi là ô nhiễm ánh sáng Theo bản chất thiết kế và hoạt động của đèn công nghệ led thì chúng luôn chiếu sáng theo hướng, chứ không phân bố ánh sáng đồng đều Với đèn led có chỉ số quang thông thấp thì ánh sáng hướng có thể làm chói mắt khi sử dụng cho kiểu chiếu sáng chung trong hộ gia đình Còn với chiếu sáng ngoài trời, chiếu sáng đường phố thì ánh sáng led cường độ cao trong thời gian dài sẽ kéo theo vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm ánh sáng.

- Mặt khác, nhiều nhà nghiên cứu còn chỉ ra rằng, chiều sáng công nghệ led có quá nhiều ánh sáng xanh, điều này không tốt cho thị giác con người.

e Những thách thức về các chỉ số kĩ thuật:

- Hoạt động của đèn led phụ thuộc phần lớn vào việc thiết kế chính xác các thiết bị cố định để quản lý lượng nhiệt sinh ra bởi thiết bị, điều này có thể dẫn đến việc chất lượng chip led không đảm bảo Bên cạnh đó, thách thức về việc cung cấp điện áp chính xác để đèn hoạt động cũng được coi là vấn đề cần giải quyết vì sản phẩm chỉ hoạt động tối ưu nhất khi nó được cung cấp điện áp phù hợp và dòng điện không đổi chiều Điều này đòi hỏi các nhà sản suất phải có các chuyên gia để thiết kế các trình điều khiển điện tử cho chúng Trong khi thị trường đèn led đang tăng trưởng mạnh mẽ do sự bùng nổ của các nhà sản xuất giá rẻ tại khu vực Châu Á thì các chỉ số kỹ thuật này càng khó đảm bảo.

V/ Ứng dụng của đèn LED:

a Trong chiếu sáng và trang trí:

- Tất nhiên ứng dụng chiếu sáng là một ứng dụng không thể thiếu đối với đèn LED Hiện nay, đèn LED đang dần dần được thay thế cho các loại đèn truyền thống khác như đèn sợi đốt, đèn Halogen… Khi đời sống ngày càng nâng cao, đèn LED không những có tác dụng chiếu sáng, mà nó còn góp phần vào việc trang trí không gian trở nên lung linh và đầy màu sắc.