Nhận xét: Hình 3.7 là hình dạng điện cực của LED RED 1, kích thước của LED Die là 600,14 µm; điện cực dương nằm ở trung tâm có đường kính 101µm, và 4 điện cực âm có ở 4 góc của Die với đường kính 45,2µm, bề rộng của các nhánh nối là 24,12µm. LED RED có hình dạng điện cực tương đối phức tạp.
Hình 3.8 Hình dạng điện cực của LED WHITE COOL,
Nhận xét: khác với các LED ở trên 3.8 có hình dạng LED Die hình vuông thì LED Die này có kích thước dạng chữ nhật kích thước 899,34 x 589,87 µm, đường kính điện cực âm và dương ở khoảng 100µm, bề rộng nhánh nối là 8,24µm.
Ngoài ra, với nội dung này sẽ là cơ sở cho việc giải thích một số tính chất về góc phát xạ, sự tỏa nhiệt và tuổi thọ của đèn LED sau này. Để thực hiện việc đo kiểm cấu trúc hình dạng của một số điện cực, chúng tôi sẽ tiến hành mua một số chíp LED dạng Die (chưa đóng gói) thực hiện chụp hình dạng điện cực trên MicroScope, tiến hành đo kích thước của điện cực, độ dầy của điện cực trên máy SEM. Có độ phân giải cao có thể đo được hạt dưới 20nm, Đo hình thể bề mặt vật
liệu, S-4800 là kính hiển vi điện tử quét trường gần có độ phân giải cao, độ phóng đại 800.000 lần.
Hình 3.9. Máy SEM tại phòng TN nano TT nghiên cứu và triển khai khu công nghệ cao TP.Hồ Chí Minh -Model: S-4800, HITACHI, Nhật bản.
3.10. Một số hình ảnh được chụp từa máy SEM.
Bảng 3.1. tổng kết kích thước led khảo sát
Loại LED Ký hiệu Kích thước chip Mô tả hình dạng
Kích thước chi tiết
Led siêu sáng USA1 U1 0.25mmx0.25mm .Điện cực âm hình chữ U . Điện cực dương hình tròn Led siêu sáng USA2 U2 0.5mmx0.5mm Hình chữ U Uvled 1 UV1 Chữ U
Uvled 2 UV2 Kẹp giấy
led VN1 VN1 0.7 mm x 0.7 mm chữ U và chữ W 100 m và 15 m
led VN2 VN2 0.7 mm x 0.7 mm chữ W và chữ U 100 m và 15 m
led VN3 VN3 0.6 mm x 0.8 mm Kẹp giấy 100 m và 10 m.
Nhận xét
Từ các hình ảnh điện cực của các LED Die Epistar 3W thu được ta có thể nhận thấy hầu hết các LED có bước sóng phát xạ khác nhau thì hình dạng điện cực và kích thước LED Die khác nhau. Đường kính điện cực âm và dương đa phần bằng nhau và nằm ở khoảng 90-100µm . Bề rộng các nhánh nối ở khoảng 8-14µm. Kết quả thu được này cho thấy trong việc thiết kế mặt nạ của LED để chế tạo điện cực có một công thức tính chung cho đường kính điện cực dương và âm, bề rộng các nhánh nối. Đối với các LED công suất thì số lượng điện cực âm và dương thường từ 4 trở lên, điều này là do khi LED công suất hoạt động tỏa nhiều nhiệt năng, cần phải thiết kế sao cho giảm điện trở trong của LED Die để giảm nhiệt lượng tỏa ra. Muốn thực hiện điều này thì phải tăng số lượng điện cực để hàn dây vàng, đồng thời tăng diện tích các nhánh nối để chịu đựng được dòng lớn qua điện cực.
Đề xuất qui trình đo
Để thực hiện việc đo kiểm cấu trúc hình dạng của một số điện cực, tôi tiến hành trên các mẫu LED đã đóng gói và các mẫu LED chưa đóng gói thực hiện chụp hình dạng điện cực trên MicroScope. Trước hết ta muốn đo được hình dạng điện cực của LED thì phải dùng LED Die (chưa đóng gói), với các LED đã đóng gói thì phải tháo bỏ phần nắp chụp bằng nhựa ra để lộ phần LED Die thì hình ảnh thu được mới rõ.
Các bước thực hiện như sau:
Hình 3.12. Quy trình quan sát bề mặt điện cực của LED trên kính hiển vi kết nối máy tính
3.3. Đo điện trở bề mặt: 3.3.1. Mô tả cách đo 3.3.1. Mô tả cách đo
Dùng VOM cơ, chuyển sang đo điển trở, cắm đúng cực của LED sẽ cho giá trị điện trở của các LED. Và cho biết LED có hoạt động hay không. Thực hiện với 2 loại VOM là YX_960TX và YX_360TFF
Chương IV: KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TUYẾN IV CỦA LED 4.1. Lý thuyết đặc tuyến IV 4.1. Lý thuyết đặc tuyến IV
Tiến hành đo đặc tuyến IV của các LED trên hệ đo Semiconductor Characterization System - Model 4200-SCS của hãng Keithley Instruments. Model 4200-SCS là một giải pháp hệ thống cho việc đo đặc tuyến của các linh kiện, vật liệu, chất bán dẫn.Phân tích các thông số một cách tiên tiến, hiển thị trực quan bằng cách kết hợp một hệ đo có độ nhạy cao và phần mềm nhúng lên nền Windows. Hệ thống có nền tảng là phần mềm Keithey Interactive Test Enviroment.Để có được hình ảnh hoàn chỉnh về đặc tuyến của linh kiện, bán dẫn, vật liệu,máy thực hiện được cả 3 loại phép đo sau:
Phép đo đặc tuyến I-V (cường độ dòng-điện áp). Phép đo đặc tuyến C-V (điện dung –điện áp). Thử nghiệm áp xung cho mẫu đo.
Dữ liệu thu được từ các phép đo được lưu lại dưới dạng bảng tính Excel, thuận tiện cho việc xử lý trong báo cáo bằng các phần mềm như Igor Pro.
Hình 4.1. Hệ đo 4200-SCS tại phòng thí nghiệm Trung Tâm Nghiên cứu Triển khai (Khu Công nghệ cao Tp.HCM).
4.2. Một số kết quả mô phỏng cấu trúc UVLED
Hình 4.2. Kết quả đo đặc tuyến IV của chip LED 525nm (siêu sáng) tại SHTP labs. Đặc tuyến gần như không đổi với 4 loại LED siêu sáng
Hình 4.3. Kết quả đo đặc tuyến IV của LED màu xanh tại SHTP labs. Đặc tuyến gần như không đổi với 3 loại LED này ngoại trừ điện thế hoạt động Vth tăng nhẹ.
4.3. Qui trình đo
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 .
B
eV K T F o
I I (e 1) (4.1)
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 (4.2)
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 4.4. Đặc tuyến Volt –Ampe của chuyển tiếp p-n khi phân cực thuận.
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:
(4.3)
Ở đây Pint là công suất ánh sáng phát xạ từ miền hoạt động và I là cường độ dòng phun .
(4.4)
Hiệu suất lượng tử phát ra của ánh sáng được định nghĩa là: Ở đây P là công suất quang học phát vào không gian.
Hiệu suất lượng tử ngoài được định nghĩa là:
(4.5)
Hiệu suất năng lượng được định nghĩa bởi:
𝐧 = 𝐏
Ở đây IV là công suất điện cấp cho LED. Hiệu suất năng lượng cũng được gọi là “hiệu suất wallplug”.
4.4. Kết quả đo đặc tuyến IV
Đầu tiên khảo sát đặc tuyến của các LED thuộc nhóm Epistar 3W.
Hình 2.26. Đặc tuyến I-V của LED WHITE COOL 1
Hình 2.11 là hình ảnh đặc tuyến I-V của LED WHITE 1 thu được trên máy đo 4200-SCS, để thuận lợi cho việc so sánh các đặc tuyến của LED Epistar 3W, các đặc tuyến của nhóm LED này được vẽ trên cùng một đồ thị.Từ các file dữ liệu thu được, sử dụng phần mêm Igor Pro vẽ các đặc tuyến I-V .
Hình 4.5. Dạng đặc tuyến I-V của các LED Epistar 3W
4.5. Khảo sát đặc tuyến I-V theo nhiệt độ.
Để khảo sát đặc tuyến I-V theo nhiệt độ, tôi tiến hành trên LED Die do thầy hướng dẫn cung cấp, có kích thước 1xmm (LED màu xanh). Một mạch thay đổi nhiệt độ sử dụng biến trở và IC 7805 , mặt trên của IC 7805 làm đế để đặt LED Die , vặn biến trở sẽ làm thay đổi dòng vào IC7805. Lúc này IC7805 nóng lên từ đó làm thay đổi nhiệt độ LED Die. Cùng với sinh viên Đinh Hoàng Việt Minh.
Đo dạng đặc tuyến của LED Die tại nhiệt độ phòng, sau đó cấp nguồn vào mạch, chỉnh biến trở cho IC7805 nóng lên dẫn đến LED Die cũng bị nung nóng. Đo đặc tuyến tại thời điểm này.
Hình 4.6. Đặc tuyến thu được của LED Die tại nhiệt độ To và T1
4.6. Đánh giá và tiêu chuẩn IV cho LED
1. Thực hiện đúng các thao tác đo và xác định đúng điện cực để phân cực.
2. Các LED đã đóng gói thường có dòng I dao động từ 80 mA đến 450 mA (UVLED) do điện trở điện cực, các lớp phủ, dây dẫn,... Điện trở điện cực tăng làm giảm dòng I. Do hạn chế của máy đo nên ta không thấy hết được Imax của đặc tuyến. 3. Cấu trúc kim loại hữu cơ của hợp chất In/AlGAN tạo cấu trúc đa giếng lượng tử và tăng hiệu suất phát quang.
4. Đối với cùng loại LED thì đường đặc tuyến IV không thay đổi nhiều mà chủ yếu là dịch Vth
Chương V. KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ BƯỚC SÓNG PHÁT XẠ CỦA LED 5.1. Mô tả hệ đo bước sóng phát xạ
Để tiến hành đo bước sóng phát xạ của các LED trong vùng bước sóng khả kiến, phép đo được đo tại phòng thí nghiệm của Bộ môn Vật Lý Ứng Dụng trường đại học khoa học tự nhiên. Sử dụng hệ đo Synapse CCD.
Hình 5.1. Cảm biến Synapse CCD và quang phổ kế IHR 320
Hình 5.2. Hệ thống Synapse CCD và buồng tối tại Phòng Thí Nghiệm Bộ Môn Vật Lý Ứng Dụng trường đại học khoa học tự nhiên.
Mô tả: Hệ thống được bố trí trong buồng tối với mục đích ngăn không cho ánh sáng bên ngoài lọt vào ảnh hưởng đến phép đo quang. Cấu hình của hệ thống gồm cảm biến CCD gắn với quang phổ kế IHR 320, dữ liệu đầu ra được kết nối với máy tính
qua cổng USB. Khi chiếu ánh sáng đơn sắc vào giữa 2 khe hẹp của quang phổ kế, ánh sáng đi vào được dẫn tới một thấu kính hội tụ trong quang phổ kế, quang phổ kế sẽ đo được cường độ sáng của nguồn sáng đơn sắc này. Một cảm biến CCD có chức năng đo bước sóng của ánh sáng đơn sắc. Từ hai dữ liệu thu được truyền vào máy tính để vẽ được đồ thị bước sóng với 2 trục X và Y. Trong đó trục X biểu thị bước sóng, trục Y biểu thị cường độ nguồn sáng.
Hình 5.3. Sơ đồ kết nối Camera CCD với máy tính
5.2. Kết quả đo bước sóng phát xạ LED loại Epistar 3W LED loại Epistar 3W
Thực hiện khảo sát bước sóng với đối với các LED Epistar 3W trong buồng tối, cách ly hoàn toàn với các nguồn sáng bên ngoài để tránh tạo nhiễu.
Nhận xét: Bước sóng của LED RED 1 đo được là 643nm, dạng đồ thị bước sóng có các gợn răng cưa rất bé, cường độ bức xạ ánh sáng của LED này tương đối ổn định.
Hình 5.5. Bước sóng của LED WHITE COOL 1.
Nhận xét: Đồ thị bước sóng của LED WHITE COOL 1 có 2 đỉnh phổ, đỉnh thứ nhất ở 442nm, đỉnh thứ hai ở 560nm.Ánh sáng trắng do đèn LED này tạo ra là ánh sáng hợp bởi 2 màu tím với cực đại tại 442nm kết hợp với ánh sáng xanh lá cây bước sóng 560nm. Nhiễu răng cưa xuất hiện mạnh tại vùng bước sóng từ 500nm trở đi, với điều kiện cách ly buồng tối, nhiễu này xuất hiện do sự bức xạ với cường độ không ổn định của LED.
Hình 5.6. Bước sóng của LED WHITE WARM 1
Nhận xét: Đồ thị bước sóng LED WHITE WARM 1 xuất hiện các đường răng cưa lớn do LED bức xạ ánh sáng với cuờng độ không đồng đều, chất lượng phát xạ của LED này không tốt.Đồ thị có 2 đỉnh bước sóng: đỉnh chính có
bước sóng 582nm (đỉnh này là đỉnh chỉnh vì bước sóng của nó nằm trong dải bước sóng vàng 570 nm<λ<590 nm), đỉnh phụ có bước sóng 446nm.
Hình 5.7. Bước sóng của BLUE 1.
Nhận xét: Bước sóng của LED BLUE đo được là 451nm, đồ thị có đường răng cưa rất bé, cường độ bức xạ ánh sáng của LED này tương đối ổn định.
Hình 5.8. Bước sóng của GREEN 1.
Nhận xét: Bước sóng đo được của LED GREEN 1 là 526 nm, đồ thị không có đường răng cưa, chất lượng phát xạ của LED này rất tốt.
LED loại 5 mm
Kết quả thu được từ phép đo bước Jsóng các LED 5mm, điều kiện cách ly buồng trong buồng tối.
Hình 5.9. Bước sóng của LED RED2
Nhận xét: Bước sóng đo được của LED RED 2 là 681 nm, đồ thị thu được bị nhiễu mạnh, cường độ bức xạ ánh sáng của LED RED 2 không ổn định.Chất lượng phát xạ của LED kém.
Hình 5.10. Bước sóng của LED WHITE 2
Nhận xét: Đồ thị thu được LED WHITE 2 có 2 đỉnh bước sóng, đỉnh thứ nhất tại 450 nm, đỉnh thứ hai tại 554nm, màu sáng trắng của LED này là màu hợp của hai màu :xanh dương với cường độ lớn và màu xanh lá cây với cuòng độ thấp hơn. Đồ thị không có đường răng cưa, chất lượng phát xạ của LED tốt.
Hình 5.11.Bước sóng của LED YELLOW 2
Nhận xét: Bước sóng của LED YELLOW 2 đo được là 598nm, đỉnh bước sóng nằm giữa bước sóng cam và bước sóng vàng , đồ thị có đường răng cưa, cường độ bức xạ ánh sáng của LED này có sự không ổn định.
Hình 5.12. Bước sóng của LED BLUE 2
Nhận xét: Bước sóng đo được là 458nm, đồ thị có đường răng cưa nhỏ, cường độ bức xạ ánh sáng tương đối ổn định.
Hình 5.13. Bước sóng của LED GREEN 2
Nhận xét: Bước sóng đo được của LED GREEN 2 là 518nm, đồ thị không có đường răng cưa, chất lượng của phát xạ của LED tốt.
Đánh giá kết quả đo đạc từ thực tế và thông số nhà sản xuất đưa ra
Bảng 5.1. So sánh bước sóng đo thực tế và bước sóng của nhà xản xuất đưa ra
Ký hiệu LED Bước sóng nhà sản xuất đưa ra (nm) Bước sóng thực tế đo được+sai số (nm) LED RED 1 630 643 ±6 LED YELLOW 1 585 582±6 LED BLUE 1 460 451±4 LED GREEN 1 525 526±5 LED YELLOW 2 585 598±6 LED BLUE 2 460 458±4 LED GREEN 2 520 518±5
Bảng 5.2. Tổng hợp giá trị đo bước sóng các LED
Loại Kí hiệu Giá thành
LED Epistar 3W White LED WHITE COOL 1 5000 VNĐ/1 LED
LED Epistar 3W Red LED RED 1 5000 VNĐ/ 1 LED
LED Epistar 3W Yellow LED WHITE WARM 1 5000 VNĐ/ 1 LED
LED Epistar 3W Green LED GREEN 1 5000 VNĐ/ 1 LED
LED Epistar 3W Blue LED BLUE 1 5000 VNĐ/ 1 LED
LED 5mm White LED WHITE 2 600VNĐ/1LED
LED 5mm Red LED RED 2 600VNĐ/1LED
LED 5mm Yellow LED YELLOW 2 600VNĐ/1LED
LED 5mm Green LED GREEN 2 600VNĐ/1LED
LED 5mm Blue LED BLUE 2 600VNĐ/1LED
Led 385mn UV1 55uds/2 con
Led 365mn UV2 132usd/con
5.3. Đánh giá và tiêu chuẩn bước sóng phát xạ.
Tất cả các LED thu thập được có bước sóng nằm trong thang sóng điện từ, tuỳ theo thu cầu sử dụng mà người dùng có thể chọn lựa loại LED phù hợp với nhu cầu.
Chương VI:
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 6.1. Các nội dung đề tài thực hiện
- Thu thập được một số loại LED trên thị trường Việt Nam. - Tiếp cận được phương pháp và thiết bị đo I-V.
- Tiếp cận được phương pháp và thiết bị đo bước sóng phát xạ. - Tiếp cận được phương pháp và thiết bị đo điện trở LED.
- Tiếp cận được phương pháp và thiết bị chụp điện cực của LED.
6.1. 1. Đề xuất các tiêu chuẩn LED :
- Về điện cực
1.Hình dạng các LED rất đa dạng tùy theo thông số kỹ thuật và công dụng.
2. Sử dụng phần mềm mô phỏng hình dạng điện cực LED sẽ tiết kiệm thời gian và kinh phí nghiên cứu/chế tạo LED.
3. Cần tăng điện tích bề mặt điện cực để tăng hiệu suất tái hợp hạt tải và cường