3.1. Giới thiệu về LED
Hình 29 : Hình ảnh của LED
LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại (xem hình 29). Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n.
Led là một nguồn ánh sáng được lựa chọn cho việc đo nhịp tim. Kích thước của chúng là một đặc tính tuyệt vời cho việc điều khiển và truyền dẫn. Ánh sáng của chúng phát ra rộng trên một giải phổ rất hẹp tạo cho chúng một ý tưởng chọn lựa cho nguồn sáng, giữa nguồn ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại sử dụng trong đo nhịp tim.
Những Led sẵn có thì thường có bước sóng trên 700 nm, từ ánh sáng màu xanh của khoảng phổ nhìn thấy cho đến vùng hồng ngoại gần.
Hình 30 : Hoạt động của LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn
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 chuyễn 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 tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ hình 30 a).
Nguyên lý hoạt động của diode phát quang (LED) là sự tái hợp bức xạ của điện tử và lỗ trống trong vùng chuyển tiếp p-n của chất bán dẫn khi phân cực thuận. Khi phân cực thuận điện tử được tiêm (bơm) từ nguồn nuôi vào phía bán dẫn loại n và lỗ trống vào phía bán dẫn loại p. Tại vùng chuyển tiếp p-n các điện tử và lỗ trống tiêm vào tái hợp với nhau sinh ra bức xạ tự phát (hay huỳnh quang). Bức xạ tự phát gồm các photon có năng lượng hν = Eg, có các hướng lan truyền, pha và phân cực khác nhau, đó là ánh sáng phát ra của LED (Hình 30 b). Tuy nhiên, cấu trúc LED với lớp chuyển tiếp p-n đơn thuần cho hiệu suất phát quang rất yếu nên những LED trên thực tế có cấu trúc dị chuyển tiếp dị thể (heterojunction) kép.
Bước sóng ánh sáng LED phát ra phụ thuộc vào vật liệu ở vùng tích cực, hay cụ thể hơn - vào độ rộng vùng cấm Eg của vật liệu này.
λ = hν /Eg ≈ 1,24/ Eg
Với λ tính theo µm và Eg theo eV.