Hiển thị hình ảnh bằng LED

Tài liệu trình bày về hiển thị hình ảnh băng led trong các thiết bị điện tử

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Kĩ Thuật Hiển Thị Hình Ảnh Đề Tài : Hiển thị hình ảnh bằng LED GVHD : PGS.TS:Nguyễn Ngọc Trung SVTH : Phí Văn Sơn 20092275 : Cao Thái Sơn 20092232 Lớp : VLKT-K54 2 MỤC LỤC I. Tổng quan về LED ……………………………………… 2 1. Lịch sử phát triển ……………………………………… 2 2. Cấu tạo LED ………………………………………… . 4 3. Hoạt động của LED …………………………………… 5 4. Vật liệu chế tạo LED …………………………………. 7 4.1. Các tiêu chuẩn về vật liệu ……………………… 7 4.2. Màu sắc và vật liệu ……………………………. 10 II. Công nghệ chế tạo LED …………………………………. 12 1. Epitaxy ……………………………………………… . 13 2. Quá trình thiết kế cấu trúc thiết bị ……………………. 14 3. Nâng cao hiệu suất …………………………………… 15 4. Đóng gói ……………………………………………… 17 III. Ứng dụng của LED ………………………………………. 18 IV. TV LED …………………………………………………. 19 1. Giới thiệu về TV LED ……………………………… 19 2. Cách bố trí đèn LED …………………………………. 19 3. Hệ màu trong TV LED ………………………………. 20 4. So sánh với TV LCD ………………………………… 20 4.1. Độ tương phản/ độ đen ……………………… . 21 4.2. Độ chính xác màu …………………………… . 21 4.3. Chất lượng hình ảnh ………………………… . 22 4.4. Góc nhìn ………………………………………. 22 4.5. Tiêu thụ điện năng …………………………… 23 3 I. Tổng quan về LED. 1. Lịch sử phát triển. Hiện tượng biến điện thành ánh sáng được H. J. Round phát hiện đầu tiên vào năm 1907 ở phòng thí nghiệm Marconi. Ông đã dùng 1 dây dẫn và tinh thể Silic các-bua(SiC). Oleg Vladimirovich Losev, nhà nghiên cứu người Nga công bố lần đầu tiên đã tạo ra LED trên tạp chí khoa học Nga, Đức và Anh. Tuy nhiên không có thực tế hóa trong mấy thập kỷ kế tiếp. Rubin Braunstein, công ty Radio Corporation of America, phát hiện có bức xạ hồng ngoại trên hợp chất GaAs và các hợp chất khác vào năm 1955. Braunstein đã thí nghiệm trên các diode GaSb, GaAs, indium phosphide (InP), và silicon-germanium (SiGe) ở nhiệt độ phòng và ở 77 độ K. H.J.Round Oleg Vladimirovich Losev 4 Năm 1961, các nhà thí nghiệm người Mỹ Robert Biard và Gary Pittman, làm việc ở Texas Instruments, cũng phát hiện GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện chạy qua và đã nhận bằng phát minh LED hồng ngoại. LED đầu tiên phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy là loại LED đỏ, do Nick Holonyak, Jr. phát hiện, vào năm 1962 khi đang làm việc cho cho General Electric Company. Holonyak đã báo cáo hiện tượng này trong lá thư anh gởi cho tạp chí Applied Physics Letters vào ngày 01-12-1962. Holonyak được xem là cha đẻ của LED. M. George Craford, một sinh viên tốt nghiệp trước Holonyak, đã phát minh ra LED vàng đầu tiên và đã cải thiện thêm độ sáng lên 10 lần cho LED đỏ cũng như LED đỏ-cam vào năm 1972. Vào năm 1976, T. P. Pearsall lần đầu tiên đã tạo ra LED công suất cao, hiệu suất cao cho cáp quang nhờ vào việc sáng chế ra vật liệu bán dẫn mới có khả năng phát ra sóng điện từ phù hợp cho cáp quang. LED đầu tiên được thương mại hóa để thay thế cho đèn chỉ thị làm bằng đèn dây tóc, nê-on và màn hình bảy đoạn. Đầu tiên là các thiết bị mắc tiền trong phòng thí nghiệm. Sau đó là tivi, rađiô, điện thoại, máy tính và thậm chí là đồng hồ. Đến năm 1968, LED cực kì mắc, cỡ 200 đôla Mỹ mà lại ít ứng dụng. Năm 1968, Công ty Monsanto là công ty đầu tiên sản xuất LED hàng loạt dùng gali asen phốt pho (GaAsP). Năm này, Hewlett Packard cũng giới thiệu LED làm từ GaAsP do công ty Monsanto cung cấp. Các LED này là LED đỏ và có thấu kính nhựa đi kèm trên từng chữ số để có thể dùng trong màn hình máy tính và chỉ đủ sáng để làm đèn chỉ thị. Thời gian sau đó thì LED vàng, cam cũng trở nên phổ biến. Năm 1970, LED thật sự đã được thương mại hóa thành công khi công ty Fairchild Semiconductor bán ra thị trường 5 xu Mỹ cho mỗi bóng LED. Công ty này đã sản xuất bằng quy trình Planar do tiến sĩ Jean Hoerni phát minh khi làm việc cho họ. Sự kết hợp giữa quy trình Planar và các phương pháp đóng gói giúp nhóm trưởng Thomas Brandt 5 của công ty Fairchild đã có được khả năng giảm thiểu giá thành cần thiết. Các phương pháp này vẫn được các công ty dùng để sản xuất LED hiện nay. 2. Cấu tạo của LED 1. Vỏ nhựa Epoxy (epoxy case) 2. Chíp bán dẫn (semicondutor chip) 3. Vùng hàn dây ( Wire bond) 4. dây dẫn ( Lead frame) 5. cốc phản xạ ( Reflective cup). 6.Hai điện cực 6 3. Hoạt động của LED. Chuyển tiếp P – N hay còn gọi là chuyển tiếp điện tử - lỗ trống, chúng ta nhận được một chuyển tiếp P – N nếu như trong một tinh thể bán dẫn thuần nhất, bằng phương pháp công nghệ nào đó chúng ta nhận được hai miền : một miền chưa tạp chất axeptor ( miền p) và một miền lân cận chứa tạp chất donor (miền n). Ranh giới tiếp xúc của hai miền p và n này được gọi là lớp tiếp xúc công nghệ hay là lớp tiếp xúc luyện kim. 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). 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 7 tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó). Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc (UTX). Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối n đến khối p nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0.6V đối với điốt làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với điốt làm bằng bán dẫn Ge. Điệp áp ngoài ngược chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện. Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa. Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là vùng nghèo. Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài. Đây là cốt lõi hoạt động của điốt. 8 Khi đặt vào chuyển tiếp P- N một điện trường từ bên ngoài, ta nói rằng trạng thái cân bằng của chuyển tiếp P-N đã bị phá vỡ. Nếu điện trường ngoài E này có chiều ngược với chiều của điện trường khuếch tán E kt thì điện trường tổng cộng trong vùng điện tích không gian sẽ bị giảm xuống, kết quả là các hạt tải cơ bản có khả ngăng xích lại gần hơn với lớp tiếp xúc công nghệ và tái hợp lại với các nguyên tử bất động đã bị ion hóa trước đây. Vì vậy chiều rộng của vùng điện tích không gian cũng bị thu hẹp lại và hành rào thế năng bị thấp xuống. Khi hàng rào thế năng bị hạ thấp, điện tử được ―phun‖ (injection) từ phần n sang phần p và lỗ trống được phun từ phần p sang phần n. Nồng độ điện tử n và nồng độ lỗ trống p lớn, tái hợp bức xạ được tăng cường, lớp chuyển tiếp phát sáng, đó là hiện tượng điện huỳnh quang. Sự tái hợp bức xạ xẩy ra trong lớp chuyển tiếp p-n chính là nguyên lý hoạt động của diod phát quang (Light Emitting Diode/ LED). 4. Vật liệu chế tạo LED 4.1. Các tiêu chuẩn về vật liệu. 9 - Tiêu chuẩn thứ nhất: để chế tạo LED cũng như laser cần dùng các bán dẫn vùng cấm thẳng, mà tuyệt đại đa số là bán dẫn hợp chất AIIIBV. - Tiêu chuẩn thứ hai là bề rộng vùng cấm của vật liệu phải phù hợp với bước sóng ánh sáng mà ta mong muốn. - Đây là những bán dẫn có bề rộng vùng cấm cố định - Các bán dẫn vùng cấm rộng để phát xạ ánh sáng xanh (blue and green): ZnSe (2,6 eV), ZnS (3,7 eV), SiC (2,996), GaN (3,3) -Một số dung dịch rắn của các bán dẫn hợp chất AIIIBV dạng và có một tính chất đặc biệt là bề rộng vùng cấm  Eg và bằng số mạng a phụ thuộc vào x Alx In1-x P (1,351 + 2,23x) Gax In1-x P (1,351 + 0,643x + 0,786x2) Alx Ga1-x As (1,424 + 1,247x) Gax In1-x Sb (0,172 + 0,139x + 0,415x2) C 5,44 Ge 0,66 Si 1,12  -SiC 2,996 AlP 3,43 GaN 3,3 AlAs 2,4 GaP 2,26 InN 2,0 AlSb 1,58 GaAs 1,42 InP 1,35 GaSb 0,72 InAs 0,36 InSb 0,18 CdS 2,4 ZnSe 2,6 HgS 2 CdS 1,7 ZnTe 2,1 HgSe 0,6 CdTe 1,5 10 Alx In1-x As (0,360 + 2,012x + 0,698x2) Ga Px As1-x (1,42 + 1,150x + 0,176x2) Alx Ga1-x Sb (0,726 + 1,129x + 0,368x2) Ga Asx Sb1-x (0,726 + 0,502x + 1,2x2) Alx In1-x Sb (0,172 + 1,621x + 0,43x2) In Px As1-x (0,360 + 0,891x + 0,101x2) In Asx Sb1-x (0,18 + 0,41x + 0,58x2) -Các LED với mục đích hiển thị phải có ánh sáng bức xạ với bước sóng từ 0,7  m 0,45  m. - Tiêu chuẩn thứ ba là sự phù hợp về cấu trúc và hằng số mạng.  Nguồn phát quang bán dẫn thường được chế tạo bằng phơng pháp epitaxy trong đó lớp tích cực cỡ vài m đợc nuôi trên lớp đế dày 200  m. Nếu giữa đế và lớp tích cực không có sự phù hợp tốt về hằng số mạng thỡ ở phân biên sẽ có nhiều lệch mạng (dislocation) và các khuyết tật khác, núàảnh hởng rất mạnh đến đặc trưng của linh kiện phát quang. Các vật liệu làm đế thích hợp cho linh kiện phát quang là GaAs và InP có bề rộng vùng cấm tơng ứng là 1,42 eV và 1,35 eV ứng với bớc sóng trong vùng hồng ngoại. Hằng số mạng của dung dịch rắn phụ thuộc vào thành phần của dung dịch rắn và hằng số mạng của các cấu tử. Hằng số mạng của hợp kim (dung dịch rắn) AxB1-x đợc biểu diễn bằng công thức: bAall axxaa )1(  . Đặc biệt đèn LED được sử dụng trong các TV LED 20 IV. TV LED 1. Giới thiệu về TV LED TV LED là ―TV LCD chiếu sáng bằng đèn LED phía sau‖. TV LED chỉ là. III. Ứng dụng của LED ………………………………………. 18 IV. TV LED …………………………………………………. 19 1. Giới thiệu về TV LED ……………………………… 19 2. Cách bố trí đèn LED ………………………………….