LED có cấu tạo đơn giản gồm 2 lớp bán dẫn loại n và loại p ghép với nhau. LED đầu tiên chỉ phát ra ánh sáng đỏ với cường độ thấp, tuy nhiên các thế hệ LED hiện nay đã có thể phát xạ ánh sáng ở vùng ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng hồng ngoại hoặc ánh sáng cực tím với độ sáng cao hơn rất nhiều so với các LED trước đây. Các thiết bị LED có độ bền và tính ổn định cao hơn các laser bán dẫn do LED sử dụng dòng điện nhỏ và công suất quang thấp hơn nhiều so với giới hạn chịu đựng của vật liệu. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, các loại LED được sản xuất với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau (Hình 2.2).
Hình 2.2: Các hình dạng và kích thƣớc khác nhau của LED
Ngày nay, ngành công nghệ vật liệu cho LED đang phát triển rất mạnh mẽ, công suất của LED ngày càng tăng mà vẫn có hiệu suất, độ tin cậy đảm bảo yêu cầu sử dụng. LED công suất cao có cấu trúc bên trong rất phức tạp nhưng bề ngoài thì
HV: Nguyễn Ngọc Nam 15 vẫn như các LED thời kỳ đầu. Việc phát minh và phát triển LED trắng có độ sáng tốt hơn, công suất cao, và tuổi thọ lâu hơn được xem là công nghệ chiếu sáng hứa hẹn trong tương lai và sẽ nhanh chóng thay thế các bóng đèn dây tóc, đèn huỳnh quang trước đây. LED trắng được chia làm hai loại: LED đơn chip và LED đa chip [7]
Hình 2.3: Cấu tạo của LED trắng; (a)-LED đơn chip, (b)-LED đa chip
- LED đơn chip có cấu tạo gồm một LED xanh nước biển và một lớp phosphor. Khi dòng điện được cung cấp tới LED, ánh sáng màu xanh nước biển sẽ được phát ra. Lớp phosphor khi đó bị kích thích bởi ánh sáng xanh sẽ phát ra ánh sáng huỳnh quang vàng. Sự hòa trộn giữa ánh sáng xanh từ LED và ánh sáng vàng từ lớp phosphor tạo ra ánh sáng trắng phát ra bên ngoài. LED đơn chip có giá thành rẻ, độ sáng cao, nhưng tốc độ truyền dẫn thấp, khoảng 40 Mb/s.
- LED đa chip có cấu tạo gồm ba LED đồng thời phát ra ánh sáng với ba màu cơ bản là xanh nước biển, đỏ, xanh lá cây. Sự hòa trộn giữa ba màu cơ bản này tạo ra ánh sáng trắng ở đầu ra. LED đa chip có thể phát ra nhiều ánh sáng với các màu khác nhau bằng cách điều chỉnh tỉ lệ hòa trộn giữa ba màu cơ bản. LED đa chip có tốc độ đáp ứng nhanh hơn so với LED đơn chip do các ánh sáng của LED được phát ra đồng thời, cho tốc độ truyền dẫn cao, khoảng 100 Mb/s, phù hợp với ứng dụng OWC trong nhà.
HV: Nguyễn Ngọc Nam 16
Hình 2.4: Phổ công suất của LED
Hầu hết các thiết bị chiếu sáng hiện nay sử dụng LED xanh được phủ một lớp phosphor vàng để tạo ra nguồn sáng trắng thay vì sử dụng ánh sáng trắng được tạo ra bởi ba màu cơ bản đỏ, lục, và lam như trước đây. Công suất quang Pt của những LED này thường được xác định từ phổ phát xạ St(λ) theo công thức sau:
λ d λ H L t t P S (1.1) Tuy nhiên, thông thường các nhà sản xuất chỉ đưa ra giá trị phổ chuẩn hóa
𝑆𝑡′(λ) như hình 2.4 [8].
Hầu hết LED trắng có băng thông điều chế hẹp, cỡ khoảng vài MHz vì tốc độ đáp ứng chậm của phosphor vàng. Băng thông điều chế có thể được cải thiện lên 20- 25 Mhz bằng cách loại bỏ phần đáp ứng chậm trong phổ ánh sáng nhờ sử dụng bộ lọc quang [9]. Do đó, chỉ khoảng 50% năng lượng ánh sáng được sử dụng.
Do LED được sử dụng vừa chiếu sáng vừa truyền thông nên ta cần phải xác định hai đại lượng đó là cường độ chiếu sáng và công suất quang truyền đi. Cường độ chiếu sáng được dùng để thể hiện độ sáng của một bóng đèn LED còn công suất quang truyền dẫn chỉ ra tổng năng lượng phát xạ từ LED.
Cường độ chiếu sáng được tính bằng quang thông qua mỗi góc khối theo công thức:
HV: Nguyễn Ngọc Nam 17 Φ Ω d I d