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 2.21. 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 2.22. 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.
Bảng 2.4. Kết quả đo bước sóng phát xạ của LED
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
Nhận xét và đánh giá
Kết quả đo đặc tuyến của các LED Epistar 3W được vẽ lại trên hình 2.12. Từ hình trên: LED RED và WHITE WARM có đồ thị nằm cạnh nhau, cách xa hơn là đồ thị của các LED WHITE COOL, GREEN, BLUE; có sự phân bố như trên là do các LED màu sắc khác nhau thì cấu trúc vật liệu bán dẫn tạo nên cũng khác nhau, dẫn đến mức năng lượng Band gap của các vật liệu đó khác nhau.
Dựa vào bảng 2.1 và 2.2 ở Chương 2, màu sắc ứng với các mức năng lượng Bandgap và điện áp dẫn . Sắp xếp theo mức điện áp dẫn thì ta có được thứ tự sau:
Vdẫn đỏ<Vdẫn trắng ấm<V dẫn trắng lạnh<V dẫn xanh dương<V dẫn xanh lá cây.
Dạng đặc tuyến I-V của nhóm LED Epistar 3W này có thể xem như không lý tưởng so với đặc tuyến lý thuyết hình 5.1. Ở đặc tuyến lý thuyết, đặc tuyến dạng đi lên gần như thẳng đứng, còn ở hình 5.4 đặc tuyến đi lên dạng thoải, từ hình dạng này ta có thể kết luận điện trở R của nhóm LED Epistar 3W là đáng kể nên ảnh hưởng tới dạng đặc tuyến của nó .Chứng tỏ có công suất hao phí do nhiệt năng gây ra (P = RI2). Liên hệ với thực tế hoạt động của các LED này tỏa ra rất nhiều nhiệt năng, khi sử dụng phải hàn dưới LED đế tản nhiệt bằng nhôm. Dự đoán khi hoạt động trong thời gian dài với nhiệt độ tỏa ra cao thì độ bền của LED sẽ giảm.
Đánh giá
Từ đồ thị đặc tuyến I-V theo nhiệt độ phòng (To) và tại nhiệt độ T1 ta nhận thấy :
- Tại nhiệt độ To dòng qua LED Die bắt đầu dẫn tại Uo = 2,5 V, dòng đạt Imax=0,25 A tại Uo’ = 3,6 V.
- Tại nhiệt độ T1 sau khi LED Die bị nung nóng, LED Die bắt đầu dẫn tại U1=2,3 V, dòng đạt Imax =0,25 A tại U1’=3,4 V.
Khi tăng nhiệt độ thì điện áp bắt đầu dẫn của LED Die hạ xuống.
Trong chất bán dẫn tồn tại một mức năng lượng gọi là mức năng lượng vùng cấm EG. Để điện tử và lỗ trống có thể tái hợp với nhau thì phải kích thích một năng lượng lớn hơn mức năng lượng EG.
Quy trình đo thực hiện theo các bước sau: Bước 1: Chuẩn bị mẫu đo.
Bước 2: Khởi động hệ thống 4200-SCS và thiết lập các thông số cần thiết cho việc đo I-V: thông số điện áp quét vào từ hai đầu dò, thông cường độ dòng tối đa.
Bước 3: Áp hai mũi kim đầu dò vào hai điện cực của bóng LED.
Bước 4: Tiến hành cho chạy phép đo, đặc tuyến thu được hiển thị trực tiếp lên màn hình máy tính dưới dạng đồ thị.
Bước 5: Sao lưu dữ liệu dưới dạng bảng tính excel, lưu hình ảnh đồ thị dưới dạng file ảnh và kết thúc phép đo.
Đây là hệ hỗ trợ các tính năng đo kiểm trực tiếp linh kiện ở dạng chưa đóng gói còn trên wafer cho phép qua sát bề mặt của linh kiện thông qua hệ microscope. Với các dạng chíp LED điều này sẽ hỗ trợ việc quan sát vị trí phát sáng và thời điểm phát sáng khi cấp điện vào cho chíp. Tính năng này sẽ hỗ trợ việc ghi nhận giải thích thêm các thông số về góc phát sáng và điện áp đặt để LED có thể phát sáng mạnh nhất và yếu nhất.
2.5.5. Các thông số về tuổi thọ LED.
Một đặc điểm khác biệt của LED so với các đèn khác đó là trong điều kiện bình hoạt động thườngLED không hỏng đột ngột từ sáng cường độ cao sang tắt hẳn mà LED có sự lão hóa về cương độ sáng dần dần cho đến khi tắt hẳn. Vì vậy, ta không thể tính tuổi thọ của LED bằng cách tính thời gian phát sáng của đèn, nếu tính thời gian phát sáng của LED thì thời gian phát sáng có thể lên đến khoảng 100.000 giờ trong khi đó cường độ phát sáng của đèn thì không còn đảm bảo cho nhu cầu sử dụng hữu ích nữa.
Do đó theo tổ chức “Hiệu quả năng lượng và nguồn năng lượng mới” của Mỹ thì định nghĩa tuổi thọ hữu ích của một bóng đèn LED trắng là khoảng thời gian tính từ lúc bóng đèn phát sáng với 100% độ sáng cho đến khi chỉ còn 70% cường độ sáng.
Ngoài ra, tuổi thọ của LED còn phụ thuộc khá nhiều vào yếu tối nhiệt độ của mối nối trong quá trình chiếu xạ. Do đó khi tiến hành kiểm tra tuổi thọ LED ta cần đảm bảo nhiệt độ của mối nối P-N trong LED trong khoảng an toàn (<120oC).
Mặc dù ta tính tuổi thọ của đèn bằng cách đo thời gian hoạt động của đèn từ lúc hoạt động lần đầu chiếu sáng đến khi cường độ đạt 70% công suất thiết kế nhưng tuổi thọ của LED cũng có thể lên đến 50.000 giờ việc sử dụng thời gian 50.000 giời để kiểm tra led là không khả thi. Dưới đây chúng tôi xin trình bày một phương pháp kiểm nghiệm tuổi thọ LED bằng phương pháp “Nội suy”, đây là phương pháp dựa trên tiêu chuẩn kiểm tra tuổi thọ LED IES-T21 của hiệp hội hiệu quả năng lượng và nguồn năng lượng Mỹ.
Hình 2.23. Hệ đo tuổi thọ LED với các yếu tố tác động như nhiệt độ, độ ẩm..vv
Bước tiếp theo sau khi cho hệ hoạt động thông qua việc kết nối máy tính chúng tôi sẽ ghi nhận lại độ rọi của LED theo từng giai đoạn thời gian việc ghi nhận thông số này được thực hiện tự động bằng máy vi tính hoặc hệ vi xử lý. Sau ít nhất 6000 giờ chiếu liên tục, chúng tôi có thể lập bảng kết quả và nội suy.
Áp dụng công thức để đưa ra hàm nội suy tìm được các hằng số B và α: t
(t) B.e
Trong đó:
t: thời gian hoạt động của đèn
Φ(t): trung bình độ rọi của đèn khi hoạt động ở điều kiện bình thường tại thời điểm t
B: Hằng số giá trị ban đầu tính từ thời điểm bắt đầu quá trình thử nghiệm
Battery H ệ c ảm b iế n : Q u an g, nhi ệt đ ộ , đ ộ ẩ m ..v v Nguồn chính D riv er LED ĐK nhiệt, độ ẩm
α: hằng số độ già hóa của của LED Tính tuổi thọ của bóng LED qua công thức:
P B 100. P L ln 𝐿𝑃
Trong đó: Lp là thời gian đèn hoạt động cho đến khi độ rọi đèn giảm còn P % tính từ lúc khảo sát.
Một ví dụ nội suy với thời gian thử nghiệm là 10.000 giờ.
Chương III:
KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ HÌNH DẠNG ĐIỆN CỰC LED
3.1. Bài toán hình dạng điện cực tối ưu
Ngoài các thông số ảnh hưởng tới mật độ dòng trong LED đã được phân tích trong phần trên thì còn có một yếu tố cũng ảnh hưởng không nhỏ tới hiệu năng làm việc của LED/UVLED. Đó là điện trở của khối điện cực. Điện cực được chế tạo phải thỏa mãn điều kiện điện trở nhỏ, nhằm tránh sự thất thoát điện năng và tỏa nhiệt lớn. Mục tiêu của phần này sẽ sử dụng công cụ Comsol để mô phỏng, tính toán giá trị điện trở của các hình dạng điện cực khác nhau.
a. Giới thiệu phần mềm Comsol
COMSOL là một môi trường mô phỏng đa lớp vật lý được tiện ích cho tất cả các bước trong qui trình mô hình hóa, nó định nghĩa hình học, lưới và các thông số vật lý, lời giải và các kết quả hình ảnh. Phần mềm này cũng được sử dụng như phần nền cho các ứng dụng trong mô hình linh kiện, cấu trúc đặc biệt.
b. Nguyên lý khảo sát
Trong cấu trúc điện cực của LED, có 2 phần chính là điện cực PAD và các lưới điện cực. PAD điện cực sẽ là nơi áp điện thế trực tiếp lên điện cực. Trong khi lưới điện thế sẽ truyền dẫn dòng điện ra khắp bề mặt .Luận văn sẽ lần lượt khảo sát các loại hình dạng cho từng loại. Mô hình một điện cực sẽ bao gồm 3 lớp màng mỏng Al, Ni, và Au dày 1 μm
Nguyên tắc khảo sát của nhóm nghiên cứu:
Do công thức tính điện trở của 1 vật liệu dẫn điện có dạng: R=ρl/S Với :
ρ : Điện trở suất L : Chiều dài vật liệu
S : Diện tích tiết diện ngang dòng điện đi qua
Nên để khảo sát chính xác sự ảnh hưởng của hình dạng điện cực tới giá trị điện trở, các hình dạng điện cực phải đáp ứng điều kiện có cùng tiết diện ngang và độ dài
tổng cộng. Nghĩa là về mặt lý thuyết, các giá trị điện trở sẽ bằng nhau, do có cùng các tham số đầu vào. Nhưngdo ảnh hưởng của hình dạng mà các giá trị mới có sự sai kháccủa giá trị điện trở. Các hình dạng điện cực được khảo sát bao gồm:
Điện cực dạng đường thẳng với chiều dài 230µm, chiều rộng 10 µm Điện cực dạng chữ L với tổng chiều dài 230µm, chiều rộng 10 µm Điện cực dạng chữ U với tổng chiều dài 230µm, chiều rộng 10 µm Cả 3 dạng điện trở có độ dày 1 µm, tiết diện ngang của là 10 µm2
Mục tiêu của mô phỏng là phải tìm ra sự thay đổi giá trị điện trở và qua đó tìm ra quy luật thay đổi này. Từ đó tìm ra được hình dạng điện trở tốt nhất, vừa đáp ứng được các yêu cầu thiết kế và đáp ứng được có giá trị điện trở nhỏ nhất có thể.
3.1.1. Khái niệm điện cực và thiết kế mặt nạ điện cực
Đèn LED thương mại hiện nay có 2 xu hướng sử dụng chất liệu nickel-vàng hoặc indium tin oxide (ITO) như là một điện cực dẫn điện trong suốt. Tuy nhiên, do tính truyền dẫn ánh sáng kém của điện cực bằng niken-vàng stack- cũng như giá cả ngày càng cao và nhu cầu lớn trong tương lai của indium, người ta đã bắt đầu tìm kiếm những loại vật liệu thay thế để chế tạo điện cực chocác thiết bị phát sang như LED/UVLED. Các điện cực thế hệ mới phải đáp ứng những yêu cầu như trong suốt, dẫn điện tốt, bền trong điều kiện làm việc khắc nghiệt (không giống như ITO, là giòn), giá rẻ, và tương thích với các phương pháp sản xuất quy mô lớn. Graphene là một vật liệu thế hệ tiếp theo đầy hứa hẹn với tiềm năng thay thế các vật liệu điện cực truyền thống như ôxít thiếc indi (ITO) trong các thiết bị điện và quang học. Nó kết hợp một số đặc điểm thuận lợi bao gồm cả kháng tấm thấp, truyền dẫn quang học cao và các đặc tính cơ học tuyệt vời. Nghiên cứu gần đây đã tìm ra nhiều ứng dụng của graphene như là một vật liệu điện cực trong các bóng bán dẫn, điốt phát sang (LED), các tế bào năng lượng mặt trời.
3.1.2. Cơ sở tính toán lý thuyết cho hình dạng điện cực tối ưu
Chúng ta giả sử rằng dòng trong LED thì đồng nhất với mật độ dòng J. Khi J là mật độ dòng và Vactivelà điện thế trong lớp kích hoạt ( active) thì điện thế áp từ đầu đến cuối chu trình A, VroadA, trong hình 3 (a) có thế viết lại:
Vroad A= J.(ρ p-electrode .t p-electrode + ρ p .t p + ρ n- electrode .t n -electrode + ρ n .t n ) +Va
Hình 3.1. Mô hình đường đi của dòng điện từ điện cực này đến điện cực kia theo 2 giả thuyết Rooad A và road B.
Trong đó:
J : là mật độ dòng đồng nhất trong cấu trúc LED (A/m2)
ρp-electrode : là điện trở suất của điện cực p
t p-electrode: là độ dày của điện cực p
ρ p: là điện trở suất của lớp p-GaN t p: là độ dày của lớp p-GaN
ρ n- electrode :là điện trở suất của điện cực n
t n -electrode : là độ dày của điện cực n
ρ n:là điện trở suất của lớp n-GaN t n: là độ dày của lớp n-GaN
Va : là hiệu điện thế tại lớp active
Tương tự, hiệu điện thế tại 2 đầu đường B được tính bằng mô hình:
Vroad B= J.(ρ p-electrode .t p-electrode + ρ p .t p + ρ n- electrode .t n -electrode + ρ n .l) +Va
Trong đó Llà quảng đường phương ngang trong lớp n-GaN mà dòng điện di chuyển P-GaN Lớp active N-GaN Road A Road B L
Vì điện thế tại 2 đầu điện cực của cả A và B là bằng nhau
Vroad A= Vroad B
Suy ra:
J. ρ n (t n -L) = 0
Hay J. ρ n (t n -L) = hằng số.
Vì L >> tn nên phương trình (*) cho thấy mật độ dòng trong LED chủ yếu phụ thuộc vào các thông số của lớp nGaN tức ρ n . Lý do là bởi độ linh động của các điện tử trong n GaN lớn hơn rất nhiều, khoảng 50 lần độ linh động của lỗ trống trong p- GaN nên mật độ dòng sẽ chủ yếu được đóng góp bởi các electrong hơn là các lỗ trống. Từ phương trình (*) ta thấy rằng có thể điều chỉnh dòng điện trong LED bằng cách giảm điện trở suất của n-GaN hoặc giảm L lần.
Để giảm điện trở suất ρ n , ta phải tăng nồng độ doping trong n-GaN. Nhưng phương pháp này có một nhược điểm là nồng độ doping trong GaN chỉ có thể điều chỉnh trong một giới hạn nhất định. Vì khi pha tạp quá nhiều sẽ làm hỏng cấu trúc mạng tinh thể của GaN. Như vậy, cách tốt nhất là giảm thông số L.
Hình 2 cho thấy cấu trúc điện cực trong mô hình LED khi giảm thông số L.
Hình 3.2. Mô hình đường đi của dòng điện từ điện cực này đến điện cực kia theo giả thuyết đường nhắn nhất.
3.1.3. Cơ sở mô phỏng cho hình dạng điện cực tối ưu
Để kiểm chứng, đề tài xin trích dẫn một số kết quả thực nghiệm, cũng như mô phỏng về sự ảnh hưởng của hình dạng điện cực tới mật độ dòng của các cấu trúc LED/UVLED đã được thực hiện trong các báo cáo khác [3,4]. Trong đó, Shanjin Huang có mô phỏng cấu trúc LED với 2 cấu trúc điện cực khác nhau. Tác giả đã đo đạc mật độ dòng của 2 mẫu LED. Ta có thể thấy rằng khi giảm khoảng cách L, mật độ dòng cũng của LED cũng tăng lên đáng kể
Hình 3.3. Kết quả mô phỏng hình dạng điện cực có ảnh hưởng đến mật độ dòng J chạy đến điện cực.
Tương tự như vậy, nhóm tác giả Jung-Tang CHU đã chế tạo và đo đạc về công suất phát sáng của 4 mẫu LED khi lần lượt giảm khoảng cách L giữa các điện cực.
Hình 3.4. Kết quả nghiên cứu hình dạng điện cực có ảnh hưởng đến mật độ dòng J chạy đến điện cực trong 4 loại LED của nhóm tác giả Jung-Tang CHU. Kết quả cho thấy khi giảm khoảng cách L và tăng diện tích bao phủ của điện cực, sẽ làm tăng một cách đáng kể công suất phát sáng của LED. Ta có thể thấy rằng so với mẫu LED (a) thì mẫu LED(d) có hiệu suất phát sáng cao gấp 7 lần tại cường độ 1.2A. Điều đó chứng minh rằng giả thiết của mô hình đã tính toán trong luận văn là có giá trị thực tiễn, lý giải được các kết quả đã được kiểm chứng trong các bài báo đã công bố.
Dựa vào mô hình được xây dựng và tính toán trong luận văn, ta rút ra được các quy