6. Tiến độ thực hiện
2.1.3. Tái hợp electron và lỗ trống
Bất cứ bán dẫn nào đều có 2 loại hạt tải tự do, electron và lỗ trống. Dưới điều kiện cân bằng, không có các kích thích bên ngoài như ánh sáng hay dòng điện:
nopo=ni2 (2.3)
Ở đây no và po lần lượt là mật độ electron và lỗ trống ở điều kiện cân bằng, ni
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 10
Mật độ hạt tải tổng cộng được tính bằng tổng nồng độ hạt tải ở trạng thái cân bằng và mật độ hạt tải thừa:
n=no+Δn và p=po+Δp (2.4)
Ở đây Δn và Δp lần lượt là nồng độ electron thừa và lỗ trống thừa.
Biểu đồ của bán dẫn có electron và lỗ trống được thể hiện trong hình 2.1.
Hình 2.3. Minh họa cho sự tái hợp của electron-lỗ trống.
Số tái hợp xảy ra trong 1 đơn vị thời gian trong 1 đơn vị thể tích tỉ lệ với tích của nồng độ electron và lỗ trống.
Hệ số tái hợp
𝐑 = 𝐝𝐧
𝐝𝐭 = 𝐝𝐩
𝐝𝐭 = 𝐁𝐧𝐩 (2.5)
Hằng số tỷ lệ B được gọi là hệ số tỷ lệ tái hợp lưỡng phân tử. Nó có giá trị 10-11-10-9 cm3/s.
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 11 2.1.4. Nguyên lý phát quang nối p-n
Hình 2.4. Minh họa cấu tạo lớp chuyển tiếp p-n bên trong LED
Thành phần quan trọng nhất trong cấu tạo của LED là lớp chuyển tiếp p-n. Chuyển tiếp p-n được hình thành khi cho bán dẫn loại p tiếp xúc với bán dẫn loại n.Bán dẫn loại p (nhóm V) chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương,bán dẫn loại n (nhóm III) chứa nhiều điện tử tự do mang điện tích âm.Khi cho hai loại bán dẫn này tiếp nhau ,các lỗ trống có xu hướng chuyển động khuếch tán sang bán dẫn loại n, cũng lúc khối bán dẫn loại p nhận thêm điện tử (điện tích âm) từ khối bán dẫn n chuyển sang .Kết quả là khối bán dẫn p tích điện âm (thiếu lỗ trống,dư thừa điện tử) và khối bán dẫn n tích điện dương (thiếu điện tử ,dư thừa lỗ trống). Ở biên giới vùng tiếp xúc hình thành điện trường làm cho một số điện tử bị lỗ trống hút ,và khi chúng tiến lại gần nhau ,chúng có xu hướng kết hợp lại với nhau tạo thành nguyên tử trung hòa điện.Quá trình này giải phóng ra năng lượng dưới dạng photon làm LED phát sáng.
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). Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn.
LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1,5 đến 3V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do đó LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra.
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 12 2.1.5. Đặc tính điện của LED
Khi LED được áp điện thế thấp ,dòng điện đi qua chủ yếu là dòng do bức xạ không tái hợp và một phần tái hợp ở bề mặt.Khi điện thế tăng ,dòng chủ yếu là dòng bức xạ khuếch tán .
Với điện áp thuận VF, dòng điện thuận tương ứng là: B
eV K T F o
I I (e 1) (2.6)
Với dòng áp ngược VR dòng điện ngược tương ứng là: p n n p F o p n D p D n I I eA L L (2.7)
Trong đó np và pn là mật độ electron và lỗ trống trong vùng p và vùng n; A là diện tích mặt cắt ngang lớp p-n ; Lp , Ln là độ dài khuếch tán và hệ số khuếch tán của electron và lỗ trống.
Hình 2.5. Đặc tuyến Volt –Ampe của chuyển tiếp p-n khi phân cực thuận.
2.1.6. Đặc tính quang của LED
Hiệu suất lượng tử nội, hiệu suất lượng tử phát ra, hiệu suất lượng tử ngoài và hiệu suất năng lượng:
Hiệu suất lượng tử nội được định nghĩa như sau:
(2.8)
Ở đây Pint là công suất ánh sáng phát xạ từ miền hoạt động và I là cường độ dòng phun .
(2.9)
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 13
Ở đây P là công suất quang học phát vào không gian. Hiệu suất lượng tử ngoài được định nghĩa là:
(2.10)
Hiệu suất năng lượng được định nghĩa bởi:
𝐧 = 𝐏
𝐈𝐕 (2.11)
Ở đây IV là công suất điện cấp cho LED. Hiệu suất năng lượng cũng được gọi là “hiệu suất wallplug”.
2.2. Lý thuyết về ánh sáng 2.2.1. Phổ ánh sáng tự nhiên 2.2.1. Phổ ánh sáng tự nhiên
Phổ điện từ bao gồm tất cả các bước sóng hay các tần số của bức xạ điện từ có năng lượng từ rất thấp cho đến các bức xạ điện từ có năng lượng rất cao. Ánh sáng mặt trời bao gồm các bước sóng: sóng hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và sóng cực tím (UV). Tuy nhiên, mắt người chỉ nhìn thấy ánh sáng có bước sóng từ 400- 700nm. Ánh sáng khả kiến có quang phổ tạo ra từ 7 dải màu: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.
Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu và bán dẫn đã tạo ra các loại LED có các màu sắc tương ứng với dải quang phổ của ánh sáng tự nhiên:
Mối liên hệ giữa bước sóng phát xạ và năng lượng bức xạ.Công thức:
hc hc
E
E
(2.11)
Trong đó E là năng lượng bức xạ của elcetron, h là hằng số plank: 6,62.10-34
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 14
Hình 2.6. Quang phổ của ánh sáng tự nhiên
Bảng 2.1. Mức năng lượng bandgap và bước sóng phát xạ
Màu sắc Bước sóng (nm) Năng lượng Bandgap
E(eV)
Hồng ngoại λ>760 E<1,63
Đỏ 610<λ<760 1,63<E<2,03
Da cam 590<λ<610 2,03<E<2,1
Vàng 570<λ<590 2,1<E<2,18
Xanh lá cây 500<λ<570 2,18<E<2,48
Xanh dương 450<λ<500 2,48<E<2,76
Tím 400<λ<450 2,76<E<3,1
Cực tím λ<400 3,1<E
2.2.2. Nguồn gốc ánh sáng trắng
Ánh sáng được coi như là ánh sáng trắng nếu 3 loại tế bào hình nón trên võng mạc của mắt người bị kích thích với một tỷ lệ nhất định. Một cách dùng để tạo ra ánh sáng trắng là dùng 2 màu ánh sáng đơn sắc, gọi là các màu bổ sung. Cũng có thể tạo ra ánh sáng trắng là gây ra bức xạ 3 màu.Nếu những màu sắc được phát ra ở các bước sóng nhất định với tỷ lệ công suất nhất định thì hỗn hợp ánh sáng thu được là ánh sáng trắng.
Một cách khác để tạo ra ánh sáng trắng là cho phát ra 1 băng rộng trên toàn bộ phổ khả kiến.
2.2.3. Các đại lượng cơ bản trong quang trắc
Quang thông Ф: đại lượng thông lượng ánh sáng dùng trong kỹ thuật chiếu sáng được đo trong đơn vị lumens (lm). Một lumen của ánh sáng, không phụ thuộc
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 15
vào bước sóng của nó (màu), tương ứng với độ sáng mà mắt người cảm nhận được. Mắt người cảm nhận khác nhau đối với các ánh sáng có bước sóng khác nhau, cảm nhận mạnh nhất đối với bước sóng 555 nm. Một nguồn sáng đơn sắc phát ra 1 bước sóng 555nm có công suất phát sáng 1/683 Watt có quang thông là 1 lumen (lm). Lumen là đơn vị SI kí hiệu là lm.
Cường độ sáng I: đo trong đơn vị candela (cd). Đó là thông lượng của một nguồn sáng phát ra trong một đơn vị góc không gian (steradian).Candela là một đơn vị cơ bản dùng trong việc đo thông số nguồn sáng và được tính như sau: 1 candela là cường độ mà một nguồn sáng phát ra 1 lumen đẳng hướng trong một góc đặc. Một nguồn sáng 1 candela sẽ phát ra 1 lumen trên một diện tích 1 mét vuông tại một khoảng cách một mét kể từ tâm nguồn sáng. Có thể thấy cường độ nguồn sáng giảm theo khoảng cách kể từ nguồn sáng. 1cd = 1lm/1steradian.
Độ rọi E: là đại lượng đặc trưng cho thông lượng ánh sáng trên một đơn vị diện tích. Một diện tích mặt cầu 1m2 có một nguồn sáng cường độ 1 candela sẽ có độ rọi là 1 lux. 1lux = 1lm/1m2.
Độ chói L: là cường độ của một nguồn sáng phát ánh sáng khuếch tán mở rộng hoặc của một vật phản xạ ánh sáng. Độ chói là đại lượng đặc trưng cho mật độ phân bố cường độ sáng I trên một bề mặt diện tích S theo một phương cho trước. 1nit = 1cd/1m2.
Hệ số phản xạ: là đại lượng đo bằng tỷ số giữa quang thông phản xạ (Φr) của vật thể so với quang thông tới của nó (Φ).
r
(2.12)
Hệ số hấp thụ: là đại lượng đo bằng tỷ số giữa quang thông được hấp thụ (Φa) của vật thể so với quang thông tới của nó (Φ).
a
(2.13)
Phân bố phổ: trình diễn phổ của bức xạ vùng nhìn thấy nêu lên mối tương quan giữa công suất bức xạ phụ thuộc vào bước sóng.
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 16 Nhiệt độ màu: (Đo bằng đơn vị Kenvin) Là màu của ánh sáng mà nguồn sáng phát ra. Nhiệt độ màu được định nghĩa là nhiệt độ tuyệt đối của một vật bức xạ đen có phổ bức xạ giống phổ bức xạ của nguồn sáng.
Độ hoàn màu: được biểu diễn bằng chỉ số hoàn màu (CRI) có độ lớn từ 0 đến 100, diễn tả độ hoàn màu của các vật được chiếu sáng trong mắt người so với màu thực của nó. CRI càng cao thì khả năng hoàn màu càng lớn.
Hiệu suất của đèn: là đại lượng đo hiệu suất của nguồn sáng trong đơn vị lumen trên Oát (LPW), là tham số xác định lượng ánh sáng phát ra khi tiêu thụ một Oát năng lượng điện.
Thời gian sống trung bình: là thời gian mà 50% số lượng đèn sử dụng bị cháy (thường được xác định trong phòng thí nghiệm).
Do điều kiện về thiết bị khảo sát, phần luận văn tốt nghiệp này tập trung khảo sát các thông số kỹ thuật của LED gồm: hình dạng điện cực, đặc tuyến IV, bước sóng phát xạ và độ rọi
2.3.Một số tiêu chuẩn đo lường quốc tế về chiếu sáng và LED2.3.1. Bảng 2.2. các đại lượng về LED 2.3.1. Bảng 2.2. các đại lượng về LED
STT Thông số kiểm tra Ý nghĩa
1. Flux Đo độ rọi
2. Light Distribution Phân bố ánh sáng
3. Efficacy Hiệu suất
4. Lumen maintenance Độ ổn định cường độ sáng
5. Colour – CRI Color rendering index
6. Colour – CCT (Color_ temperature )
Nhiệt độ màu
7. Colour – maintenance Độ ổn định màu 8. Colour – spatial uniformity Độ đồng đều màu 9. Colour – spectral output Phổ màu phát xạ
10. Colour – UV Vùng tử ngoại
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 17
12. Life – premature failure Khả năng lỗi
13. Life – rapid cycle switching Tốc độ đóng cắt nguồn
14. Life – end of life behaviour Vận hành ảnh hưởng đến tuổi thọ
2.3.2. Tiêu chuẩn của Mỹ (LM-79-08, LM-80-08…)
LM-79-08 Approved Method for Electrical and Photometric Measurement of SSL Products
LM-80-08 Approved Method for Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources RP-16-05 addendum a (2008) -section on light emitting diodes
Đính kèm phụ lục
2.3.3. Tiêu chuẩn Nhật Bản.
1. JIS C 8155, LED module for general lighting service.
2. TS C 8153, White light emitting diode devices for general lighting – performance specifications.
3. IS C 8157, Self-ballasted LED lamps for general lighting services – performance requirements.
2.3.4. Tiêu chuẩn TM-21-11.
Dựa vào tiểu chuẩn LM 79-08 và 80-08 để đo thời gian sống của LED t (t) B p B lg 100* P L 2.3.5. Các tiêu chuẩn khác 2.3.5.2. Chuẩn chất lượng LED.
1. ANSI C78.377-2008, Specification for Chromaticity of SSL Products 2. ENERGY STAR® Program Requirements, for Residential Light Fixtures - Eligibility Criteria – Version 4.3
3. EPA ENERGY STAR® Program Requirements for Solid State Lighting Luminaires - Eligibility Criteria – Version 1.1
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 18
4. EPA first draft ENERGY STAR Luminaires specification, to replace the Residential Light Fixtures (RLF, V4.3) and Solid State Lighting (SSL, V1.1) 5. DoE ENERGY STAR® Program Requirements for Integral LED Lamps, DRAFT.
6. UK Energy Saving Trust - LED Requirements for Replacement Lamps and Luminaires.
2.3.5.2. Phương pháp kiểm tra LED.
1. CIE Technical Report 127-2007, Measurement of LEDs
2. IESNA LM-79-2008, Approved Method for the Electrical and Photometric Measurements of Solid State Lighting Products
3. IESNA LM-80-2008, Approved Method for Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources
4. ASSIST May 2008, Recommendations for Testing and Evaluating White LED Light Engines and Integrated LED Lamps Used in Decorative Lighting Luminaires, Volume 4, Issue 1 May 2008 Revised April 2009
5. JIS C8152 & JEL311, Measurement methods and photometry for white light LEDs
6. Note that many IEC performance standards include test methods
2.4. Tiêu chuẩn đo lường Việt Nam về chiếu sáng
Bảng 2.3 Các tiêu chuẩn chiếu sáng tại Việt Nam
Kí hiệu Tên tiêu chuẩn
TCVN 3678-81 Nguồn bức xạ quang dùng điện. Thuật ngữ và
định nghĩa
TCVN 5175:2006 Bóng đèn huỳnh quang hai đầu. Quy định về an
toàn
TCVN 5324:2007 Bóng đèn thuỷ ngân cao áp. Yêu cầu về tính
năng
TCVN 5661:1992 Balat đèn thủy ngân cao áp
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 19
TCVN 6479:2010 Balat dùng cho bóng đèn huỳnh quang dạng
ống. Yêu cầu về tính năng
TCVN 6481:1999 Đui đèn dùng cho bóng đèn huỳnh quang dạng
ống và đui stacte
TCVN 6482:1999 Stacte chớp sáng dùng cho bóng đèn huỳnh
quang
TCVN 6639:2010 Đui đèn xoáy ren edison
TCVN 7541-2:2005 Thiết bị chiếu sáng hiệu suất cao. Phần 2:
Phương pháp xác định hiệu suất năng lượng
TCVN 7590-1:2010 Bộ điều khiển bóng đèn. Phần 1: Yêu cầu chung
và yêu cầu an toàn
TCVN 7590-2-12:2007 Bộ điều khiển bóng đèn. Phần 2-12: Yêu cầu cụ
thể đối với balát điện tử được cấp điện từ nguồn một chiều hoặc xoay chiều dùng cho bóng đèn phóng điện (không kể bóng đèn huỳnh quang)
TCVN 7590-2-3:2007 Bộ điều khiển bóng đèn. Phần 2-3: Yêu cầu cụ
thể đối với balát điện tử được cấp điện từ nguồn xoay chiều dùng cho bóng đèn huỳnh quang
TCVN 7590-2-8:2006 Bộ điều khiển bóng đèn. Phần 2-8: yêu cầu cụ
thể đối với balát dùng cho bóng đèn huỳnh quang
TCVN 7590-2-9:2007 Bộ điều khiển bóng đèn. Phần 2-9: Yêu cầu cụ
thể đối với balát dùng cho bóng đèn phóng điện (không kể bóng đèn huỳnh quang)
TCVN 7591:2006 Bóng đèn huỳnh quang một đầu. Quy định về
an toàn
TCVN 7592:2006 Bóng đèn có sợi đốt bằng vonfram dùng ong gia
đình và chiếu sáng thông dụng tương tự. Yêu cầu chung về tính năng
TCVN 7670:2007 Bóng đèn huỳnh quang hai đầu. Yêu cầu về tính
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 20
TCVN 7671-1:2007 Bóng đèn sợi đốt. Yêu cầu về an toàn. Phần 1:
Bóng đèn có sợi đốt bằng vonfram dùng ong gia đình và chiếu sáng thông dụng tương tự
TCVN 7672:2007 Bóng đèn có balát lắp liền dùng cho chiếu sáng
thông dụng. Yêu cầu về an toàn
TCVN 7673:2007 Bóng đèn có balát lắp liền dùng cho chiếu sáng
thông dụng. Yêu cầu về tính năng
TCVN 7674:2007 Balát điện tử được cấp điện từ nguồn xoay
chiều dùng cho bóng đèn huỳnh quang dang ống. Yêu cầu về tính năng
TCVN 7684:2007 Phụ kiện dùng cho bóng đèn. Balát dùng cho
bóng đèn phóng điện (không kể bóng đèn huỳnh quang dạng ống). Yêu cầu về tính năng
TCVN 7696:2007 Bóng đèn nai áp suất thấp. Yêu cầu về tính năng
TCVN 7722-1:2009 Đèn điện. Phần 1: Yêu cầu chung và các thử
nghiệm
TCVN 7722-2-2:2007 Đèn điện. Phần 2: Yêu cầu cụ thể. Mục 2: Đèn
điện lắp chìm
TCVN 7722-2-3:2007 Đèn điện. Phần 2: Yêu cầu cụ thể. Mục 3: Đèn
điện dùng cho chiếu sáng đường phố
TCVN 7722-2-5:2007 Đèn điện. Phần 2: Yêu cầu cụ thể. Mục 5: Đèn
pha
TCVN 7722-2-6:2009 Đèn điện. Phần 2: Yêu cầu cụ thể. Mục 6: Đèn
điện có biến áp hoặc bộ chuyển đổi lắp sẵn dùng cho bóng đèn sợi đốt
TCVN 7863:2008 Bóng đèn huỳnh quang một đầu đèn. Yêu cầu
về tính năng
TCVN 7896:2008 Bóng đèn huỳnh quang compact. Hiệu suất
năng lượng
TCVN 7897:2008 Balát điện tử dùng cho bóng đèn huỳnh quang.
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 21
TCVN 8248:2009 Ba lát điện từ dùng cho bóng đèn huỳnh quang.
Hiệu suất năng lượng
TCVN 8249:2009 Bóng đèn huỳnh quang dạng ống. Hiệu suất
năng lượng
TCVN 8250:2009 Bóng đèn sodium cao áp. Hiệu suất năng lượng
Theo bảng số liệu về hệ thống tiêu chuẩn cho các thiết bị chiếu sáng ta thấy rằng Việt Nam chưa hề có bộ tiêu chuẩn cho đo kiểm hay quy chuẩn cho các thiết bị chiếu sáng sử dụng LED. Có thể nói, đây là một thiếu xót rất lớn ảnh hưởng đến