nghiên cứu, phát triển phương pháp đo quang thông hpcobled (high power chip on board light emitting diode) và ứng dụng trong điều kiện thực

Mục lục
Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt ........................................................................... 4
Danh mục các bảng ............................................................................................... 8
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ............................................................................. 9
Mở đầu ................................................................................................................. 12
Chương 1 Tổng quan về COB LED công suất cao và các ứng dụng trong công
nghệ chiếu sáng ................................................................................................... 16
1.1 Lịch sử phát triển điôt phát quang (LED) .................................................... 16
1.2 Cơ sở vật lý của LED .................................................................................. 17
1.2.1 Sự hình thành chuyển tiếp pn - chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng .. 17
1.2.2 Chuyển tiếp pn ở điều kiện không cân bằng ......................................... 20
1.2.2.1. Chuyển tiếp pn phân cực thuận..................................................... 20
1.2.2.2 Chuyển tiếp pn phân cực ngược .................................................... 22
1.3 Tái hợp phát xạ và tái hợp không phát xạ ................................................... 22
1.3.1 Tái hợp phát xạ ..................................................................................... 22
1.3.2 Tái hợp không phát xạ .......................................................................... 23
1.4 Điôt phát quang (LED) ................................................................................ 25
1.4.1 Cấu trúc ................................................................................................ 25
1.4.2 Nguyên lý hoạt động ............................................................................. 26
1.4.3 Vật liệu chế tạo ..................................................................................... 27
1.4.4 Phương pháp công nghệ chế tạo LED ................................................. 28
1.4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các thông số của LED ............................ 29
1.4.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp đặt vào................................. 29
1.4.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông ..................................... 30
1.4.6 Phổ phát xạ ........................................................................................... 31
1.5 HPCOBLED (High Power Chip On Board Light Emitting Diode) ................. 32
1.6 Ứng dụng .................................................................................................... 33
Kết luận chương ............................................................................................... 34
Chương 2 Nghiên cứu các phương pháp đo quang thông của HPCOBLED ....... 35
2.1 Phép đo bức xạ và phép đo trắc quang ...................................................... 35
2.1.1 Quan hệ giữa phép đo trắc quang và phép đo bức xạ.......................... 36

2.1.2 Các định nghĩa, đơn vị trong phép đo bức xạ và phép đo trắc quang .. 36
2.2 Hệ thống màu tiêu chuẩn CIE ..................................................................... 38
2.2.1 Phổ công suất ....................................................................................... 38
1


2.2.2 Hàm tổng hợp màu ............................................................................... 38
2.2.3 Tọa độ màu ........................................................................................... 40
2.2.4 Không gian màu đồng nhất ................................................................... 41
2.2.5 Trộn màu .............................................................................................. 42
2.2.6 Nhiệt độ màu CT (Color Temperature) ................................................. 42
2.2.7 Các nguồn sáng chuẩn theo CIE .......................................................... 44
2.2.7.1 Nguồn sáng chuẩn A ...................................................................... 44
2.2.7.2 Nguồn sáng chuẩn D ...................................................................... 44
2.2.8 Hệ số hoàn màu (Color Rendering Index - CRI hay

) ....................... 45

2.3 Nghiên cứu các phương pháp đo quang thông của HPCOBLED .................... 46
2.3.1 Phương pháp đo quang thông sử dụng quang góc kế - GPM .............. 46
2.3.1.1 Nguyên lý của phương pháp GPM ................................................. 46
2.3.1.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp GPM ....................................... 46
2.3.1.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp GPM ................................... 47
2.3.2 Phương pháp ISSM .............................................................................. 48
2.3.2.1 Nguyên lý của phương pháp ISSM ................................................ 48
2.3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ISSM ...................................... 49
2.3.2.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp ISSM .................................. 50
2.3.3 Phương pháp ISPM .............................................................................. 51
2.3.3.1 Nguyên lý của phương pháp ISPM ................................................ 51
2.3.3.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ISPM ...................................... 51

2.3.3.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp ISPM .................................. 53
Kết luận chương ............................................................................................... 53
Chương 3 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và xây dựng hệ đo quang thông
HPCOBLED.......................................................................................................... 54
3.1 Phương pháp đo quang thông sử dụng hệ đo quả cầu tích phân kết hợp
thiết bị đo phổ bức xạ và quang kế chuẩn ........................................................ 54
3.1.1 Nguyên lý của phương pháp ISSPM .................................................... 54
3.1.2 Sơ đồ khối của phương pháp ISSPM ................................................... 55
3.2 Thiết kế, chế tạo và xây dựng hệ đo ........................................................... 56
3.2.1 Thiết kế quả cầu tích phân .................................................................... 56
3.2.1.1 Các yêu cầu kỹ thuật của quả cầu tích phân .................................. 56
3.2.1.2 Xác định phần diện tích mở Ai trên quả cầu tích phân ................... 56
3.2.1.3 Thiết kế các tấm chắn sáng ............................................................ 57
3.2.2 Chọn đèn chuẩn phổ............................................................................. 59
3.2.3 Chọn thiết bị đo phổ bức xạ .................................................................. 60
2


3.2.4 Chọn quang kế chuẩn ........................................................................... 60
3.2.5 Chọn nguồn DC .................................................................................... 61
3.2.6 Chọn bộ ổn định nhiệt độ (TEC) ........................................................... 61
3.2.7 Xác định các thiết bị phụ trợ đo kiểm sốt nguồn DC ........................... 61
3.3 Chế tạo quả cầu tích phân và các bộ phận đi kèm ..................................... 61
3.3.1 Chế tạo quả cầu tích phân .................................................................... 61
3.3.2 Chế tạo các tấm chắn sáng .................................................................. 62
3.3.3 Lắng đọng lớp phủ phản xạ khuếch tán................................................ 62
3.3.3.1 Thực nghiệm .................................................................................. 63
3.3.3.2 Xác định tỉ lệ dung dịch phun.......................................................... 63
3.3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách phun .................................. 65
3.3.3.4 Ảnh hưởng của áp suất phun ......................................................... 67

3.3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ ................................... 69
3.4 Lắp đặt hệ đo VMI-PR-001 ......................................................................... 71
3.5 Hiệu chuẩn hệ đo VMI-PR-001 ................................................................... 73
3.5.1 Các bước thực hiện hiệu chuẩn ........................................................... 73
3.5.2 Đánh giá độ ổn định của hệ đo VMI-PR-001 ........................................ 75
3.6 Quy trình hiệu chuẩn quang thông của HPCOBLED................................... 76
3.6.1 Xác định hệ số hiệu chính kabs .............................................................. 76
3.6.2 Quy trình đo quang thông ..................................................................... 76
3.7 Kết quả hiệu chuẩn quang thông của HPCOBLED ..................................... 77
3.7.1 Kết quả xác định hệ số kabs ................................................................... 77
3.7.2 Xác định quang thông của HPCOBED.................................................. 78
3.7.3 Ước lượng độ khơng đảm bảo đo......................................................... 79
3.8 Nghiên cứu tính chất quang điện của HPCOBLED ..................................... 81
3.8.1 Khảo sát ảnh hưởng dòng If và nhiệt độ đến sự dịch chuyển đỉnh phổ
cơng suất ....................................................................................................... 81
3.8.2 Ảnh hưởng dịng If và nhiệt độ đến các thông số quang ...................... 82
3.8.3 Khảo sát ảnh hưởng dịng ni và nhiệt độ đến các thông số màu ..... 86
Kết luận chương ............................................................................................... 87
Chương 4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông của
HPCOBLED. Mơ hình HPCOBLED ...................................................................... 88
4.1 Mơ hình quang thơng phụ thuộc nhiệt độ của Mark W.Hodapp .................. 88
4.1.1 Mô hình Mark W.Hodapp ...................................................................... 88
4.1.2 Mơ hình Mark W.Hodapp khơng thể sử dụng đối với HPCOBLED ....... 89
4.2 Mơ hình HPCOBLED (High Power COB LED Model) ................................. 97
3


4.2.1 Giả thiết của mơ hình HPCOBLED ....................................................... 98
4.2.2 Mơ hình HPCOBLED ............................................................................ 98
4.3 Đánh giá độ chính xác của mơ hình HPCOBLED ....................................... 99

4.4 Ứng dụng xác định quang thông của HPCOBLED theo nhiệt độ khi hệ đo
không sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ (TEC).................................................. 101
4.4.1 Phương pháp xác định quang thơng theo mơ hình HPCOBLED ở Tc = 25 0C
..................................................................................................................... 102
4.4.2 Chuẩn bị thực nghiệm......................................................................... 102
4.4.3 Thực nghiệm ....................................................................................... 103
4.4.4 Kết quả thực nghiệm và thảo luận ...................................................... 103
Kết luận chương ............................................................................................. 104
Kết luận .............................................................................................................. 106
Danh mục các cơng trình ................................................................................... 107
Bản quyền và sáng chế ...................................................................................... 107
Tài liệu tham khảo .............................................................................................. 109
Phụ lục ............................................................................................................... 114

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các ký hiệu
Ký
hiệu

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

4




Diffusion electric field

Điện trường khuếch tán

Luminous Flux

Quang thông

Radiant intensity

Cường độ bức xạ

Luminous intensity

Cường độ sáng

2π

Geometry 2π

Dạng hình học 2π

4π

Geometry 4π

Dạng hình học 4π

e

Electron

Điện tử

Ec

Bottom of the conduction band energy Năng lượng đáy vùng dẫn

Ee

Electron energy

Năng lượng của điện tử

EFn

Fermi level of the semiconductor n

Mức Fermi của bán dẫn n

EFp

Fermi level of the semiconductor p

Mức Fermi của bán dẫn p

Eg

Band gap energy

Độ rộng vùng cấm

Eh

Hole energy

Năng lượng của lỗ trống

Ev

Top of the valence band energy

Năng lượng đỉnh vùng hóa trị

h

Planck constant

Hằng số Planck

Foward current

Dịng ni

n

Electron density

Nồng độ điện tử

Na

Impurity density acceptor

Nồng độ tạp chất acceptor

Nc

The effective density of states of
the conduction band

Nồng độ trạng thái hiệu dụng trong
vùng dẫn

Nd

Impurity density donor

Nồng độ tạp chất donor

Nv

The effective density of states of
the valence band

Nồng độ trạng thái hiệu dụng trong
vùng hoá trị

p

Hole density

Nồng độ lỗ trống

Ra

Color rendering index

Hệ số hoàn màu

Auger recombination rate

Tốc độ tái hợp Auger

If

RAuger
Rth j-a

Thermal resistance from junction to to
Nhiệt trở từ chuyển tiếp đến môi
ambient
trường
5


Ta

Ambient temperature

Nhiệt độ môi trường

Tb

Board temperature

Nhiệt độ đế

Tc

Case temperature

Nhiệt độ vỏ (hoặc điểm hàn đối với
HPCOBLED)

Tj

Junction temperature

Nhiệt độ chuyển tiếp

Tsp

Solder point temperature

Nhiệt độ điểm hàn

V

Voltage

Điện áp

ν

Frequency

Tần số

Radiant flux

Thông lượng bức xạ

Ω

Solid angle

Góc khối

( )

Spectral sensitivity of the human eye
functions

Hàm phổ độ nhạy mắt người

e

Danh mục các chữ viết tắt
Ký hiệu

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

6


B
CCT
CGPM

Blue

Màu xanh da trời

Correlated Color Temperature

Nhiệt độ màu tương quan

General Conference on Weights
Hội nghị cân đo quốc tế
and Measures
International Commission on
Illumination (Commission
Internationale de LʹEclairge)

Ủy ban quốc tế về chiếu sáng

CMFs

Color matching functions

Hàm tổng hợp màu

CNC

Computerized
Controlled

Điều khiển bằng máy tính

COB

Chip On Board

Chip tích hợp trên đế

CRI

Color Rendering Index

Hệ số hồn màu

CT

Color Temperature

Nhiệt độ màu

DC

DC supply

Nguồn điện DC

DE

Droop effect

Hiệu ứng rơi

EL

Electroluminescence

Điện huỳnh quang

Electromagnetic Spectrum

Phổ điện từ

Green

Màu xanh lá cây

Goniophotometer Methhod

Phương pháp đo quang thơng sử
dụng quang góc kế

CIE

EMS
G
GPM
HPCOBLED

Numerically

High Power Chip On Board
COBLED cơng suất cao
Light Emitting Diode

IR

Infra Red

Hồng ngoại

IS

Integrating Sphere

Quả cầu tích phân

ISPM

Phương pháp đo quang thông sử
Integrating Sphere Photometer
dụng quả cầu tích phân kết hợp với
Method

quang kế chuẩn

ISSM

Integrating Sphere
Spectroradiometer Method

Phương pháp đo quang thơng sử
dụng quả cầu tích phân kết hợp với
thiết bị đo phổ bức xạ

ISSPM

Integrating Sphere
Spectroradiometer Photometer

Phương pháp đo quang thơng sử
dụng quả cầu tích phân kết hợp với

7


Method
K
LED
MOCVD

thiết bị đo phổ bức xạ và quang kế
chuẩn

Kelvin

Nhiệt độ Kelvin

Light Emitting Diode

Điôt phát quang

Metal Organic Chemical Vapor Lắng đọng hóa học từ pha hơi hợp
Deposition
chất cơ kim

NIST

National Institute of Standards Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc
and Technology (USA)
gia (USA)

NMIs

National Metrology Instituties

Các Viện Đo lường quốc gia

Solid State Lighting

Nguồn sáng rắn

Red

Màu đỏ

TEC

Thermo Electric Cooler

Bộ làm lạnh

UV

Ultra Violet

Tử ngoại

SSL
R

Danh mục các bảng
Bảng 1.1 Tóm tắt đặc trưng màu sắc của LED từ các vật liệu bán dẫn [49] ....................... 28
8


Bảng 2.1 Các đại lượng và đơn vị trong phép đo bức xạ và phép đo trắc quang [16]. ....... 37
Bảng 3.1 Các hóa chất sử dụng trong quy trình lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán ........... 63
Bảng 3.2 Tỉ lệ hợp phần dung dịch phun dùng lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán. ........... 64
Bảng 3.3 Các thông số công nghệ sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách phun.65
Bảng 3.4 Các thông số công nghệ sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của áp suất phun. ........ 67
Bảng 3.5 Các thông số công nghệ của lớp phủ phản xạ khuếch tán có chiều dày khác nhau.69
Bảng 3.6 Quang thông của đèn chuẩn phổ xác định trên hệ VMI-PR-001. ......................... 74
Bảng 3.7 Giá trị quang thông của đèn chuẩn phổ ở các thời điểm đo khác nhau................ 76

Bảng 3.8 Kết quả đo dòng quang đối với đèn chuẩn phổ (SCL-1400-E120). ..................... 78
Bảng 3.9 Kết quả đo dòng quang của HPCOBLED (216A, S/N: 033). .............................. 78
Bảng 3.10 Kết quả xác định quang thông của HPCOBLED (216A, S/N: 033). ................. 79
Bảng 3.11 Độ không đảm bảo đo phép hiệu chuẩn HPCOBLED. ...................................... 79
Bảng 4.1 Kết quả khảo sát sự phụ thuộc quang thông vào nhiệt độ Tc đối với HPCOBLED
............................................................................................................................. 90
Bảng 4.2 Giá trị quang thông của các HPCOBLED tính theo mơ hình Mark (4.2). ........... 92
Bảng 4.3 Độ chênh lệch nhiệt độ (ΔT) của các HPCOBLED. ............................................ 97
Bảng 4.4 Sự suy giảm công suất của các HPCOBLED theo nhiệt độ Tc. .......................... 99
Bảng 4.5 Quang thông của các HPCOBLED trên hai đế tản nhiệt. .................................. 103
Bảng 4.6 Quang thông của các HPCOBLED tại nhiệt độ Tc=25 0C theo mơ hình
HPCOBLED. .................................................................................................... 104

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

9


Hình 1.1 Quá trình phát triển LED [78]. ............................................................................. 16
Hình 1.2 Sự hình thành chuyển tiếp pn. .............................................................................. 17
Hình 1.3 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng nhiệt [25]. ........... 18
Hình 1. 4 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn phân cực thuận. .................................... 20
Hình 1. 5 Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp pn được làm từ các vật liệu bán dẫn khác nhau. 21
Hình 1. 6 Giản đồ năng lượng chuyển tiếp pn phân cực ngược. ......................................... 22
Hình 1.7 Tái hợp điện tử - lỗ trống [28]. ............................................................................. 23
Hình 1.8 Các quá trình tái hợp cặp điện tử và lỗ trống ....................................................... 24
Hình 1.9 Quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống trong mạng tinh thể [28] ........................ 25
Hình 1.10 Cấu trúc LED và sơ đồ tương đương.................................................................. 25
Hình 1.11 Quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống phát xạ photon ..................................... 26
Hình 1.12 Giản đồ biểu diễn các bước sóng của ánh sáng phát xạ trong khoảng bước sóng

λ=(0,4 ÷ 1,7) m của các hợp chất AIIIBV[70]. ................................................... 27
Hình 1.13 Sơ đồ mơ tả ngun lý của phương pháp MOCVD [61]. ................................... 29
Hình 1.14 Đồ thị sự phụ thuộc thơng lượng bức xạ vào dịng If [9]. ................................... 31
Hình 1.15 Đồ thị biểu diễn phân bố năng lượng điện tử và lỗ trống trong ........... 32
Hình 1.16 Cấu trúc của một HPCOBLED điển hình ........................................................... 33
Hình 1.17 Hình ảnh các sản phẩm đèn chiếu sáng được tạo ra từ HPCOBLED [39,45,46].
............................................................................................................................. 34
Hình 2.1 Phổ bức xạ điện từ vùng khả kiến [42]. ................................................................ 35
Hình 2.2 Hàm độ nhạy của mắt người V(λ) ........................................................................ 35
Hình 2.3 Hàm tổng hợp của các hàm ( ), ( ), ( ) [16]................................................. 39
Hình 2.4 Hàm tổng hợp màu CIE 1931 [16]. ...................................................................... 40
Hình 2.5 Giản đồ tọa độ màu CIE 1931 [16]. ..................................................................... 40
Hình 2.6 Giản đồ nhiệt độ màu CIE 1931 [16]. .................................................................. 43
Hình 2.7 Giản đồ nhiệt độ màu tương quan trên hệ CIE 1960 [7,16]. ................................ 44
Hình 2.8 Đồ thị phân bố công suất của hai nguồn sáng chuẩn CIE [16]. ............................ 45
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp GPM. ............................................................. 47
Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý phương pháp ISSM.................................................................. 49
Hình 2. 11 Dạng hình học đo ............................................................................................... 50
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ISPM. .......................................................... 52
Hình 2.13 Dạng hình học đo................................................................................................ 52
Hình 3. 1 Sơ đồ khối hệ đo ISSPM. .................................................................................... 55
Hình 3.2 Vị trí và kích thước tấm chắn sáng 1 .................................................................... 57
10


Hình 3.3 Kích thước và vị trí tấm chắn sáng 2 .................................................................... 58
Hình 3.4 Kích thước và vị trí tấm chắn sáng 3 .................................................................... 58
Hình 3.5 Bản vẽ tổng thể quả cầu tích phân đường kính d = 1 m. ...................................... 59
Hình 3.6 Hàm phổ độ nhạy tương đối f1ʹ của quang kế chuẩn [62, 81]. ............................. 60
Hình 3.7 Bán cầu sau khi hồn thành gia cơng cơ khí. ....................................................... 62

Hình 3.8 Phổ phản xạ khuếch tán với tỉ lệ hợp phần dung dịch phun khác nhau................ 64
Hình 3.9 Phổ phản xạ khuếch tán với khoảng cách phun khác nhau .................................. 66
Hình 3.10 Ảnh chụp hình thái bề mặt của lớp phủ với khoảng cách phun khác nhau ........ 67
Hình 3.11 Phổ phản xạ với áp suất phun khác nhau ............................................................ 68
Hình 3.12 Ảnh hình thái bề mặt của lớp phủ ở các áp suất phun khác nhau ....................... 69
Hình 3.13 Phổ phản xạ với chiều dày lớp phủ khác nhau ................................................... 70
Hình 3.14 Quy trình cơng nghệ lắng đọng lớp phủ phản xạ khuếch tán từ vật liệu BaSO4.71
Hình 3.15 Bán quả cầu tích phân sau khi lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán. .................... 71
Hình 3.16 Hệ đo VMI-PR-001 sau khi hồn thành lắp đặt. ................................................ 72
Hình 3.17 Vị trí lắp đặt đèn chuẩn phổ bên trong quả cầu tích phân. ................................. 73
Hình 3.18 Kết quả hiệu chuẩn phổ cơng suất. ..................................................................... 74
Hình 3.19 Kết quả đánh giá độ ổn định hệ thống đo. .......................................................... 75
Hình 3.20 Ảnh HPCOBLED được gắn trên đế tản nhiệt TECMount 284. ......................... 77
Hình 3.21 Phổ cơng suất của HPCOBLED, (216A, S/N: 033). .......................................... 79
Hình 3.22 Đồ thị sự phụ thuộc của phổ cơng suất vào nhiệt độ và dịng If ......................... 82
Hình 3.23 Đo nhiệt độ Tc của HPCOBLED. ...................................................................... 82
Hình 3.24 Đồ thị phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ Tc tại các giá trị dịng If . ........ 83
Hình 3.25 Đồ thị phụ thuộc của công suất quang vào nhiệt độ Tc tại các giá trị dòng If. ... 83
Hình 3.26 Đồ thị phụ thuộc của điện áp theo nhiệt độ Tc tại các giá trị dịng If.................... 84
Hình 3.27 Đồ thị phụ thuộc của công suất tiêu tán vào nhiệt độ Tc tại các giá trị dòng If........... 85
Hình 3.28 Đồ thị phụ thuộc của hiệu suất phát quang ηv vào nhiệt độ Tc tại các giá trị If.. 85
Hình 3.29 Sự thay đổi tọa độ màu (x,y) theo nhiệt độ Tc. .................................................. 86
Hình 3. 30 Đồ thị phụ thuộc của nhiệt độ tương quan CCT(K) theo nhiệt độ Tc. ...................... 86
Hình 4.1 Cấu trúc của một LED rời rạc điển hình............................................................... 88
Hình 4.2 Các điểm nhiệt độ (a) và mơ hình nhiệt trở của LED (b) ..................................... 89
Hình 4.3 Đồ thị phụ thuộc của quang thơng vào nhiệt độ của các HPCOBLED ................ 91
Hình 4.4 Đồ thị sự phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ của các HPCOBLED xác định
theo mơ hình Mark (4.2). .................................................................................... 91
Hình 4.5 Sự suy giảm quang thông khi nhiệt độ tăng đối với các HPCOBLED................ 93

11


Hình 4.6 Ảnh phân bố nhiệt của các HPCOBLED tại Tc = 25 0C ...................................... 94
Hình 4.7 Phân bố nhiệt của các HPCOBLED tại Tc = 55 0C .............................................. 95
Hình 4.8 Phân bố nhiệt của các HPCOBLED tại Tc = 85 0C ............................................. 96
Hình 4.9 Sơ đồ mặt cắt ngang của một HPCOBLED.......................................................... 97
Hình 4.10 Sơ đồ tương đương (a) và mơ hình nhiệt trở của HPCOBLED (b). ................... 98
Hình 4. 11 Đồ thị phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ của các HPCOBLED so sánh
giữa giá trị thực nghiệm và giá trị tính theo mơ hình HPCOBLED ................. 100
Hình 4. 12 Đồ thị so sánh kết quả thực nghiệm, kết quả theo mơ hình HPCOBLED....... 101
Hình 4.13 Ảnh HPCOBLED gắn trên hai đế tản nhiệt...................................................... 103

Mở đầu
Hiện nay, nhân loại đang đứng trước hai thách thức to lớn, đó là sự thiếu hụt năng lượng
và q trình biến đổi khí hậu tồn cầu. Cả hai thách thức này đều có cùng một nguyên nhân
12


là do nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng. Theo thống kê của Cơ quan năng lượng
quốc tế (International Energy Agency-IEA), lượng điện năng tiêu thụ sử dụng trong chiếu
sáng chiếm khoảng 20% tổng công suất điện tiêu thụ toàn thế giới và tương đương với
lượng điện năng được cung cấp từ các nhà máy điện hạt nhân [41]. Đối với các nước đang
phát triển, năng lượng điện tiêu thụ sử dụng trong chiếu sáng còn lớn hơn. Ở Việt Nam
điện năng tiêu thụ trong chiếu sáng chiếm khoảng 25,3% tổng tiêu thụ điện năng và nhu
cầu sẽ tăng nhanh hơn trong thời gian tới [3]. Để giải quyết các vấn đề này, một trong các
biện pháp của các quốc gia trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đưa ra là tìm
kiếm các nguồn năng lượng mới thân thiện với môi trường song song với các giải pháp tiết
kiệm năng lượng, đặc biệt trong công nghệ chiếu sáng.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, công

nghệ chế tạo nguồn sáng rắn (Solid State Lighting - SSL) ngày càng phát triển cho phép
nhận được các sản phẩm có cơng suất cao, quang thơng lớn, hiệu suất phát quang cao và bề
mặt phát sáng rộng [4,11,28,35,36,38,39,51,65,75]. Một trong những sản phẩm này là Chip
on Board Light-Emitting Diode công suất cao (HPCOBLED) và hiện nay chúng được ứng
dụng hết sức rộng rãi trong công nghệ chiếu sáng. So với các nguồn sáng truyền thống,
HPCOBLED có hàng loạt các ưu điểm vượt trội như ánh sáng tạo ra có nhiều màu sắc, có
hiệu suất phát quang cao, thời gian sống dài và đặc biệt thân thiện với môi trường. Có thể
khẳng định rằng, trong tương lai các sản phẩm nguồn sáng rắn sẽ thay thế hoàn toàn các
nguồn sáng truyền thống [17,27,30,39,45,46,52,66,69,73,76].
Để có thể kiểm sốt chất lượng của LED, vấn đề quan tâm hàng đầu là độ chính xác của
các phép đo trắc quang dùng để đánh giá các thông số của chúng. Tuy nhiên, các phép đo
trắc quang đối với LED lại phụ thuộc rất nhiều vào các đặc trưng của LED như phổ công
suất, phân bố cường độ sáng, quang thông,… Các thông số này lại dễ bị ảnh hưởng bởi chế
độ làm việc của LED như dịng ni và nhiệt độ. Hơn nữa, HPCOBLED có tính chất
quang điện phức tạp hơn so với LED, đặc biệt quang thơng của HPCOBLED có sự suy
giảm mạnh ở dịng ni If lớn và nhiệt độ cao [6,9,17,31,36,44,52,55,56,64,69,81,85-89].
Vì vậy, hiện nay các nhà khoa học đang tập trung phát triển các hệ đo, các phương pháp đo
mới để nâng cao độ chính xác phép đo trắc quang đối với LED nói chung và HPCOBLED
nói riêng.
Hiện nay, trên thị trường ở Việt Nam có rất nhiều LED rời rạc và HPCOBLED được
nhập khẩu từ các nhà sản xuất khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết các sản phẩm này, đặc biệt là
các HPCOBLED đều chưa được đánh giá các thông số ban đầu. Có thể thấy, các nghiên
cứu về LED chủ yếu tập trung ở các cơ sở khoa học và công nghệ như Trường Đại học
Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Bách Khoa Hà
Nội,Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các công ty sản xuất đèn,… Ở các
cơ sở này, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào công nghệ chế tạo ra các linh kiện LED và
các sản phẩm nguồn sáng rắn.
Một thực tế hiện nay là, để tính tốn thiết kế chế tạo các sản phẩm nguồn sáng rắn từ
HPCOBLED, các dữ liệu ban đầu đều được lấy từ nhà sản suất công bố tại Tc = 25 0C và
một trong các thông số đặc trưng của HPCOBLED được sử dụng để tính tốn là đại lượng

quang thông. Tuy nhiên, các sản phẩm được tạo ra từ HPCOBLED có kết quả khơng giống
như cách tính tốn đối với LED rời rạc. Điều này cho phép chúng ta nhận ra rằng có sự
khác biệt lớn giữa LED rời rạc và HPCOBLED.
Như vậy, có thể thấy rằng, một trong các vấn đề cần quan tâm nhất hiện nay trong lĩnh
vực đo lường quang là cần phải có các phương pháp đo quang thơng chính xác và khả năng
xác định quang thông của COBLED ở các điều kiện thực. Đây cũng là cơ sở để chúng tôi
lựa chọn nội dung nghiên cứu của bản luận án này.
13


Tên đề tài luận án: Nghiên cứu, phát triển phương pháp đo quang thông HPCOBLED
(High Power Chip On Board Light Emitting Diode) và ứng dụng trong điều kiện thực.
Mục đích nghiên cứu của luận án
1.

Tổng quan về HPCOBLED và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng.

2.

Nghiên cứu phát triển phương pháp đo quang thơng của HPCOBLED có độ chính
xác cao.

3.

Xây dựng hệ đo quang thơng của HPCOBLED có độ chính xác cao cho mục đích
hiệu chuẩn, đo thử nghiệm (có độ khơng đảm bảo đo mở rộng U ≤ 3%, hệ số phủ
k = 2 với mức tin cậy P = 95%).

4.

Nghiên cứu tính chất quang điện của HPCOBLED trên hệ đo đã xây dựng.

5.

Nghiên cứu phát triển mô hình HPCOBLED mơ tả chính xác sự phụ thuộc quang
thơng của HPCOBLED vào nhiệt độ.

6.

Nghiên cứu ứng dụng mơ hình HPCOBLED để xác định quang thông của
HPCOBLED trong điều kiện thực.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
1.

Nghiên cứu phương pháp đo quang thông của HPCOBLED và xây dựng hệ đo có
độ chính xác cao bao gồm:
 Thiết kế, chế tạo quả cầu tích phân đường kính d = 1 m có cấu hình dạng hình
học đo 2 và 4; lắng đọng lớp phủ có độ phản xạ khuếch tán cao sử dụng vật
liệu BaSO4 lên trên bề mặt bên trong quả cầu tích phân.
 Lựa chọn thiết bị ngoại vi, tích hợp các thiết bị ngoại vi, xây dựng phần
mềm đo quang thơng.
 Đánh giá độ chính xác và độ ổn định hệ đo đã xây dựng.

2.

Khảo sát ảnh hưởng của dịng ni If và nhiệt độ Tc đến tính chất quang điện của
các HPCOBLED.

3.

Nghiên cứu phát triển mơ hình HPCOBLED nâng cao độ chính xác sự phụ thuộc
của quang thông vào nhiệt độ Tc.

4.

Nghiên cứu ứng dụng mơ hình HPCOBLED trong điều kiện thực để xác định
quang thông của HPCOBLED ở nhiệt độ Tc = 25 0C và nhiệt độ Tc bất kì.

Phương pháp nghiên cứu
Trong cơng trình này, chúng tơi đã sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với
đốn nhận lí thuyết để phát triển mơ hình HPCOBLED.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học


Phát triển phương pháp đo quang thông của HPCOBLED có độ chính xác cao
(ISSPM) ở Việt Nam.



Hồn thiện công nghệ lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán cho quả cầu tích phân.



Chế tạo thành cơng quả cầu tích phân có đường kính d = 1 m, có lớp phản xạ
khuếch tán R ~ 98%, độ thăng giáng phản xạ ΔR ≤ 1,5% trong khoảng bước sóng
λ = (380 ÷ 780) nm sử dụng trong hệ đo quang thông ở Việt Nam.

14



Xây dựng phát triển thành công hệ đo quang thông HPCOBLED có độ chính xác
cao và phát triển phần mềm đo quang thông VMI_PRLab.



Nghiên cứu phát triển đưa ra mô hình HPCOBLED mơ tả sự suy giảm quang thơng
của HPCOBLED khi nhiệt độ Tc tăng.



Đã nghiên cứu ứng dụng mô hình HPCOBLED để xác định giá trị quang thơng của
HPCOBLED tại Tc = 25 0C và ở nhiệt độ Tc bất kì trên hệ đo khơng sử dụng thiết
bị ổn định nhiệt độ (Thermoelectric Cooler-TEC).

Ý nghĩa thực tiễn


Xây dựng được phương pháp đo (ISSPM) để xác định quang thông của
HPCOBLED ( hệ đo VMI-PR-001) với độ chính xác cao.



Khảo sát tính chất quang điện của HPCOBLED trên cơ sở phương pháp đo quang
thông (ISSPM) và hệ đo VMI-PR-001.



Đã đưa mô hình HPCOBLED trong ứng dụng để xác định giá trị quang thông của
HPCOBLED tại Tc = 25 0C và ở nhiệt độ Tc bất kì trên hệ đo VMI-PR-001 khơng
sử dụng thiết bị ổn định nhiệt độ (TEC) trong điều kiện thực.

Kết cấu của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt, danh mục các bảng,
danh mục các hình vẽ, danh mục các cơng trình đã cơng bố của luận án, phụ lục và tài liệu
tham khảo, nội dung luận án được trình bày trong bốn chương như sau:
Chương 1 Tổng quan về HPCOBLED và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng
Chương 2 Nghiên cứu các phương pháp đo quang thông của HPCOBLED
Chương 3 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và xây dựng hệ đo quang thông của HPCOBLED
Chương 4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông của HPCOBLED.
Mơ hình HPCOBLED.

15


Chương 1
Tổng quan về COB LED công suất cao và các ứng dụng trong
công nghệ chiếu sáng
1.1 Lịch sử phát triển điôt phát quang (LED)
Bức tranh về sự phát triển công nghệ LED so sánh với các nguồn sáng truyền thống
được biểu diễn trên hình 1.1 dưới đây.

100

Đèn huỳnh quang

Hiệu suất phát quang , lm/W

Đèn compact
Đèn sợi đốt
10

Đèn Thomas
Edison
1

1965
0.1

1970

1980 1985 1990 1995 2000 2005
Thời gian, năm
Hình 1.1 Quá trình phát triển LED [78].

1975

2010

Từ hình 1.1 có thể thấy, q trình phát triển LED có các mốc phát triển quan trọng sau đây:
Điôt phát quang (Lighting Emitting Diode - LED) được nghiên cứu phát triển trên cơ sở
hiện tượng điện huỳnh quang (electroluminescence - EL) do H.J.Round phát hiện ra vào
năm 1907 khi ông nghiên cứu vật liệu SiC [28,66,70,73].
Năm 1950, việc tìm ra các bán dẫn hợp chất nhóm AIII BV đã mở ra khả năng to lớn
trong ứng dụng hiệu ứng quang điện trong công nghệ LED [25,26,28,73,82].
Năm 1962, lần đầu tiên các nhà khoa học đã chế tạo thành cơng LED có ánh sáng màu
đỏ bằng phương pháp lắng đọng lớp bán dẫn GaAsP trên đế GaAs. Cùng trong thời gian

này, N.Holonyak cũng nhận thấy, khi thay đế GaAs bằng GaP thì LED cho hiệu suất phát
quang cao hơn [28].
LED thương mại đầu tiên ra đời vào nửa đầu thập kỷ 1960 và tiếp tục phát triển trong
những thập kỷ 1970 và 1980 [28,33,65,70,73].
Năm 1992, Akasaki và cộng sự đã chế tạo thành công LED phát quang trong vùng UV
và xanh da trời với hiệu suất đạt được khoảng ~ 1% trên cơ sở vật liệu GaN [51].
16


Năm 1995, Nakamura đã chế tạo thành công LED phát quang màu xanh lá cây từ bán
dẫn InGaN và đạt hiệu suất khoảng ~ 10% [66,75,77].
Có thể thấy, việc chế tạo thành công các LED phát ra các ánh sáng đỏ, xanh da trời và
xanh lá cây đã bao phủ hầu hết phổ màu sắc mà mắt người có thể cảm nhận được.
Cũng cần lưu ý rằng, sự phát triển của LED trên cơ sở vật liệu InGaN là tiền đề để chế tạo
LED ánh sáng trắng. Thật vậy, năm 2006, giáo sư người Nhật Nakamura đã được nhận giải
thưởng Công nghệ thiên niên kỷ (Millennium Technology) cho phát minh LED ánh sáng
trắng [75,77].
Những năm gần đây, các hãng Cree Inc, Philips, Osram,… đã nghiên cứu và chế tạo
thành công LED ánh sáng trắng có cơng suất cao lên đến P ~ 180 W, quang thông đạt
Фv ~ 16000 lm và hiệu suất phát quang đạt lên đến v ~ 140 lm/W [39,45,48].

1.2 Cơ sở vật lý của LED
1.2.1 Sự hình thành chuyển tiếp pn - chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng
Một chuyển tiếp pn (còn gọi là chuyển tiếp điện tử - lỗ trống) sẽ hình thành nếu trong
một tinh thể bán dẫn thuần nhất, bằng một phương pháp cơng nghệ nào đó, chúng ta nhận
được hai miền bán dẫn, một miền pha tạp acceptor (miền p) và một miền tiếp xúc với nó
pha tạp donor (miền n). Ranh giới tiếp xúc của hai miền này được gọi là tiếp xúc công
nghệ hay là tiếp xúc luyện kim [5,8].
Thật vậy, hãy xem xét bức tranh hình thành một chuyển tiếp pn trên hình 1.2.
Vùng điện tích

khơng gian
Điện tử

Lỗ trống

Bán dẫn n

Bán dẫn p

Tiếp xúc cơng nghệ
Hình 1.2 Sự hình thành chuyển tiếp pn.
Dễ dàng thấy rằng, miền p (có nhiều lỗ trống) tiếp xúc với miền n (có nhiều điện tử), sẽ
dẫn đến ở vùng lân cận tiếp xúc công nghệ xuất hiện một chênh lệch nồng độ các hạt tải.
Các lỗ trống sẽ khuếch tán từ miền p sang miền n và ngược lại, các điện tử sẽ khuếch tán
từ miền n sang miền p. Quá trình khuếch tán này sẽ phá vỡ sự trung hịa về điện ở các miền
trên và sự phá vỡ này sẽ xuất hiện ở gần tiếp xúc công nghệ. Kết quả là, ở miền p sẽ xuất
hiện các nguyên tử bị ion hóa mang điện tích âm, cịn ở miền n xuất hiện các nguyên tử bị
ion hóa mang điện tích dương dẫn đến hình thành một vùng điện tích khơng gian ở hai phía
tiếp xúc cơng nghệ.
Hãy xét một chuyển tiếp pn lý tưởng, nghĩa là ở nhiệt độ ion hóa, các hạt dẫn cơ bản
xuất hiện do sự ion hóa tạp chất. Vì vậy, có thể coi như nồng độ điện tử trong bán dẫn loại
17


n cân bằng nồng độ tạp chất donor và nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại p cân bằng nồng
độ tạp chất acceptor. Như vậy, nồng độ của điện tử và lỗ trống hình thành được biểu diễn
theo biểu thức sau [5,8,25].
n = Nd

(1.1)

p = Na

(1.2)

ở đây, Nd là nồng độ tạp chất donor và Na là nồng độ tạp chất acceptor.
Ngoài các hạt dẫn cơ bản, trong bán dẫn tạp chất còn chứa các hạt dẫn thiểu số (các hạt
dẫn khơng cơ bản), nói cách khác, trong bán dẫn loại n có chứa một số lỗ trống với nồng
độ pn và trong bán dẫn loại p có chứa một số điện tử với nồng độ np. Nồng độ hạt tải trong
một chất bán dẫn bất kỳ có thể được xác định từ định luật khối lượng hiệu dụng và được
biểu diễn theo biểu thức sau [8,25]:
(1.3)
với ni là nồng độ hạt tải trong bán dẫn thuần tương ứng được xác định ở cùng một điều
kiện nhiệt độ.
Nếu nồng độ tạp chất Nd và Na bằng nhau thì hai miền điện tích khơng gian ở hai phía
của tiếp xúc cơng nghệ sẽ có độ rộng bằng nhau, có trị số điện tích cân bằng và chúng tạo
thành một vùng nghèo.
Khi chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng, hình thành một điện thế còn gọi là thế khuếch
tán Vbi và tương ứng với nó là hàng rào thế năng có giá trị bằng eVbi, trong đó e là điện tích.
Sự hình thành vùng điện tích khơng gian lân cận tiếp xúc công nghệ sẽ làm xuất hiện một
điện trường gọi là điện trường khuếch tán. Điện trường này có chiều chống lại quá trình
khuếch tán của điện tử từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và của lỗ trống từ bán dẫn loại p
sang bán dẫn loại n.
Dưới tác dụng của điện trường khuếch tán, mức năng lượng EFn của bán dẫn n hạ thấp
xuống, còn mức năng lượng EFp của bán dẫn p dịch lên phía trên. Q trình dịch chuyển
các mức năng lượng này sẽ dừng lại khi mức năng lượng Fermi của bán dẫn p trùng với
mức năng lượng Fermi của bán dẫn n. Kết quả là chúng ta có, giản đồ năng lượng của
chuyển tiếp pn ở trạng thái cân bằng được biểu diễn như trên hình 1.3.
n

p
Ec

eVbi

EFi

Ec

eFp
EFp
Ev

EFn
eFn
EFi
Ev
diff

Hình 1.3 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng nhiệt [25].
Từ hình 1.3, có thể xác định thế khuếch tán theo biểu thức sau:
|

|

|

|
18

(1.4)


Ở nhiệt độ ion hóa, nồng độ điện tử trong bán dẫn n ở điều kiện cân bằng no được xác
định theo biểu thức sau [25]:
*

(

)

+

(1.5)

với Nc là nồng độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn, EF là năng lượng Fermi, Ei là
năng lượng Fermi của bán dẫn thuần, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ (Kelvin)
Từ đây, chúng ta có thể xác định thế φFn trong bán dẫn loại n theo biểu thức sau [25]:
(1.6)
Thay biểu thức (1.6) vào biểu thức (1.5) có thể xác định được nồng độ điện tử ở điều kiện
cân bằng trong bán dẫn loại n như sau:
(

*

)

+

(1.7)

được xác định theo biểu thức sau:

Thay biểu thức (1.1) vào biểu thức (1.7), thế
( )

(1.8)

Tương tự, trong bán dẫn loại p, nồng độ lỗ trống ở điều kiện cân bằng po được xác định
theo biểu thức sau:
*

(

)

+

(1.9)

trong đó, Na là nồng độ tạp chất acceptor.
và thế φFp trong vùng bán dẫn loại p được xác định theo biểu thức sau:
(1.10)
( )

hay là:

(1.11)

Cuối cùng, thay biểu thức (1.8) và biểu thức (1.11) vào biểu thức (1.4), chúng ta có thể
xác định được thế khuếch tán của một chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng:

(

)

(1.12)

Ở điều kiện cân bằng, liên hệ giữa chiều dày vùng điện tích khơng gian trong các vùng bán
dẫn loại n và loại p được biểu diễn theo biểu thức sau [25]:
(1.13)
Từ các biểu thức (1.13) và (1.12), chúng ta có thể xác định được các chiều dày vùng điện
tích khơng gian trong bán dẫn loại n và loại p của chuyển tiếp pn [25]:
* +

√
và

√

(1.14)

* +

19

(1.15)


Dễ dàng thấy rằng, chiều dày vùng điện tích khơng gian của chuyển tiếp pn được xác
định như là tổng các chiều dày vùng điện tích khơng gian trong bán dẫn loại n và loại p,
hay là:

L = Ln+Lp

(1.16)

Thay các biểu thức (1.14) và (1.15) vào biểu thức (1.16), chiều dày vùng điện tích
khơng gian của chuyển tiếp pn được xác định theo biểu thức sau:
√

*

+

(1.17)

trong đó, ԑ là hằng số điện mơi của bán dẫn.
Hình 1.3, cũng cho thấy:
eVbi - Eg  (EC - EF)  ( EF - EV) = 0

(1.18)

Dễ dàng thấy rằng, trong trường hợp bán dẫn có nồng độ pha tạp cao sẽ dẫn đến chênh
lệch các mức năng lượng EC, EV và mức Fermi trở nên không đáng kể so với năng lượng
vùng cấm. Hay là EC - EF << Eg ở miền n và EF - EV << Eg ở miền p.
Hay là, thế khuếch tán sẽ gần bằng năng lượng vùng cấm chia cho điện tích e. Thế
khuếch tán này có thể được xem như là điện áp ngưỡng Vth và được xác định theo biểu
thức sau [25]:
Vbi ≈ Vth ≈ Eg /e

(1.19)

1.2.2 Chuyển tiếp pn ở điều kiện không cân bằng
1.2.2.1. Chuyển tiếp pn phân cực thuận
Khi đặt một điện áp Vf vào chuyển tiếp pn với cực dương đặt lên bán dẫn p và cực âm
đặt lên bán dẫn n, ta nói rằng chuyển tiếp pn được phân cực thuận. Khi đó, điều kiện cân
bằng của chuyển tiếp pn sẽ bị phá vỡ. Trong trường hợp này, điện áp V đặt vào sẽ suy
giảm một đại lượng Vf và bằng (Vbi - Vf), tương ứng với chiều cao rào thế là e(Vbi - Vf).
Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở điều kiện phân cực thuận được biểu diễn trên
hình 1.4.
n

p
Ec

E(Vbi - Vf)
EFi
eVa

Ec
EFn
EFi

EFp
Ev

Ev
diff
Hình 1. 4 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn phân cực thuận.
trong đó, diff là điện trường khuếch tán
20

Như vậy, biểu thức (1.17) có thể được biểu diễn lại như sau [25]:
√

(

)

*

+

(1.20)

Dễ dàng thấy rằng, chiều dày vùng điện tích khơng gian của chuyển tiếp giảm đi, dẫn
đến dòng các hạt tải cơ bản qua chuyển tiếp pn sẽ tăng lên.
Trong trường hợp phân cực thuận, đặc trưng dòng - điện áp (I-V) của chuyển tiếp pn đã
được Schockley mô tả theo biểu thức sau [25,28,70]:
(

( )

)

(1.21)

ở đây, IS là dòng bão hòa và được xác định theo biểu thức sau:
(√

)

√

(1.22)

trong đó, A là diện tích mặt cắt ngang của chuyển tiếp pn, Dn và Dp là các hệ số khuếch
tán của điện tử và lỗ trống, và là thời gian sống của điện tử và lỗ trống.
Ở điều kiện phân cực thuận khi điện áp phân cực thuận là lớn, hay là V >> kT thì
(
( )
)
( ). Kết hợp với biểu thức (1.12) đặc trưng I-V của chuyển tiếp pn
được biểu diễn theo biểu thức sau:
(√

√

)

(

(

)

)

(1.23)

Dòng (mA)

Đặc trưng I-V của các vật liệu bán dẫn khác nhau tại nhiệt độ T = 300 K, được biểu diễn trên
hình 1.5.

Điện áp (V)
Hình 1. 5 Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp pn được làm từ các vật liệu bán dẫn khác nhau.
Từ hình 1.5, dễ dàng nhận thấy, ứng với mỗi một loại vật liệu bán dẫn khác nhau có
điện áp ngưỡng khác nhau.

21


1.2.2.2 Chuyển tiếp pn phân cực ngược
Nếu đặt lên chuyển tiếp pn một điện áp ngược VR, nghĩa là cực dương đặt lên trên bán
dẫn n và cực âm đặt lên bán dẫn p, ta nói chuyển tiếp pn phân cực ngược.
Trong trường hợp này, có thể thấy, điện trường ngoài cùng chiều điện trường khuếch
tán và điện trường tổng cộng sẽ tăng lên dẫn đến chiều cao rào thế đối với các hạt dẫn cơ
bản tăng lên một lượng eVR. Giản đồ năng lượng chuyển tiếp pn phân cực ngược được
biểu diễn trên hình 1.6 dưới đây.
n

p
Ec

eVt

EFi
EFp
Ev

eVR
eFn

Ec
EFn
EFi

Ev
diff
Hình 1. 6 Giản đồ năng lượng chuyển tiếp pn phân cực ngược.
Trong trường hợp này, điện thế tổng Vt được xác định theo biểu thức sau đây [25]:
|

|

|

|

(1.24)

hay
(1.25)
trong đó, VR là điện áp ngược.
Như vậy, khi chuyển tiếp pn phân cực ngược thì chiều dày vùng điện tích khơng gian
tăng. Trong trường hợp này, theo biểu thức (1.17) xác định chiều dày vùng điện tích khơng
gian được viết lại như sau:
√

(

)

*

+

(1.26)

1.3 Tái hợp phát xạ và tái hợp không phát xạ
Trong chất bán dẫn, điện tử và lỗ trống có thể tái hợp và q trình này có thể phát xạ
hoặc khơng phát xạ. Trong thực tế, cả hai quá trình tái hợp phát xạ và không phát xạ luôn
đồng thời tồn tại. Tuy nhiên, đối với các linh kiện phát quang rắn, cần phải tối ưu hóa q
trình tái hợp phát xạ và giảm thiểu q trình tái hợp khơng phát xạ.
1.3.1 Tái hợp phát xạ
Ở điều kiện cân bằng, mật độ hạt tải tuân theo định luật tác dụng khối lượng [28]. Tuy
nhiên, trong bán dẫn sẽ tồn tại các hạt tải dư hình thành bởi hoặc sự chiếu sáng hoặc dòng
22


ni. Các hạt tải dư này có thể tham gia vào q trình tái hợp khi có một điện tử trong
vùng dẫn đến gần với lỗ trống trong vùng hóa trị. Trong quá trình tái hợp, điện tử - lỗ trống
kết hợp tạo thành một cặp và một năng lượng nào đó sẽ được giải phóng. Ví dụ, một điện
tử nào đó định xứ ở đáy vùng dẫn có thể tái hợp với một lỗ trống nào đó định xứ ở đỉnh
vùng hóa trị (hình 1.7). Ở đây, chúng ta quan tâm đến sự suy giảm nồng độ hạt tải. Để mô
tả cho sự suy giảm nồng độ hạt tải, người ta đưa ra khái niệm tốc độ tái hợp R. Như đã
biết, xác suất tái hợp cặp điện tử - lỗ trống tỉ lệ với nồng độ của chúng, nghĩa là Rp (hoặc
n). Như vậy, R sẽ tỉ lệ với tích nồng độ điện tử và lỗ trống hay là R  pn và R có thể xác
định theo biểu thức sau [28]:
(1.25)

trong đó, B là hệ số tái hợp.
EC

Điện tử

Lỗ trống
EV

Hình 1.7 Tái hợp điện tử - lỗ trống [28].
Đối với các bán dẫn vùng cấm thẳng, các điện tử tự do định xứ gần đáy vùng dẫn có thể tái
hợp trực tiếp với các lỗ trống định xứ gần đỉnh vùng hóa trị và q trình này dẫn đến phát xạ
photon. Ngược lại, đối các bán dẫn vùng cấm xiên, do các hạt tải có động lượng khác nhau
nên xác suất xảy ra quá trình tái hợp trực tiếp là rất nhỏ và quá trình này sẽ tạo ra dao động
và làm tăng nhiệt độ mạng tinh thể. Vì vậy, tái hợp khơng phát xạ nhìn chung là tái hợp
không mong muốn đối với linh kiện phát quang do hai nguyên nhân: cặp hạt tải bị mất đi
khi khơng có ánh sáng phát ra và cấu trúc tinh thể bị nóng lên.
1.3.2 Tái hợp khơng phát xạ
Q trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống mà khơng có sự phát xạ photon thì được gọi là
tái hợp không phát xạ. Trong trường hợp này, năng lượng điện tử được chuyển thành các
dao động mạng tinh thể và được gọi là phonon. Như vậy, năng lượng điện tử sẽ được
chuyển thành năng lượng nhiệt.
Có nhiều nguyên nhân để giải thích q trình tái hợp khơng phát xạ. Nguyên nhân chủ
yếu là do có sự sai hỏng cấu trúc tinh thể và ngồi ra, có thể do tái hợp mức sâu.
Một cơ chế tái hợp không phát xạ quan trọng đó là tái hợp Auger [28,70]. Trong q
trình này, năng lượng sinh ra bởi tái hợp cặp điện tử - lỗ trống được giải phóng bằng cách
kích thích một điện tử dịch chuyển lên cao hơn trong vùng dẫn hoặc kích thích lỗ trống
dịch chuyển xuống sâu hơn trong vùng hóa trị. Trong trường hợp này, các hạt tải được kích
thích bởi phonon và mất dần năng lượng cho đến khi chúng đạt được năng lượng gần bằng
năng lượng đáy vùng dẫn hoặc năng lượng đỉnh vùng hóa trị.
Tốc độ tái hợp Auger RAuger được biểu diễn bởi các biểu thức sau đây [28]:

(1.26)
(1.27)
23


trong đó, Cp và Cn tương ứng là các hệ số Auger của lỗ trống và điện tử.
Có thể thấy, tái hợp Auger tỉ lệ với bình phương nồng độ hạt tải bởi vì quá trình này cần
hai hạt tải cùng loại dẫn. Như vậy, có thể thấy, q trình thứ nhất xảy ra ở các bán dẫn loại
p do có nhiều lỗ trống (biểu thức 1.26) và q trình thứ hai xảy ra ở các bán dẫn loại n do
có nhiều điện tử (biểu thức 1.27).
Trong q trình tái hợp Auger, do sự sai khác cấu trúc vùng năng lượng ở vùng dẫn và
vùng hóa trị nên các hệ số Cp và Cn là không giống nhau. Trong trường hợp giới hạn kích
thích cao, tức là khi các hạt tải được kích thích có nồng độ cao hơn các hạt tải cân bằng,
biểu thức mô tả tốc độ tái hợp Auger được xác định lại như sau [28]:
(

)

(1.28)

trong đó C được gọi là hệ số Auger.
Biểu thức (1.28) cho thấy, quá trình tái hợp Auger sẽ làm suy giảm hiệu suất phát quang
của vật liệu. Nguyên nhân là do tốc độ tái hợp RAuger tỉ lệ với lập phương nồng độ hạt tải.
Hệ số Auger thường dao động trong khoảng (10-28 ÷ 10-29) cm6/s đối với các bán dẫn hợp
chất AIIIBV [28].
Cần lưu ý rằng, trong không gian vectơ sóng k, chúng ta có thể biểu diễn năng lượng
của điện tử và lỗ trống theo hàm số E(k) và có dạng parabol ở gần cực trị (Hình 1.8). Do
cấu trúc và phân bố nguyên tử khác nhau trong tinh thể nên các trạng thái năng lượng của
điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị phân bố có các cực trị khác nhau
trong khơng gian E(k).

Vùng dẫn

Vùng dẫn

Phát xạ photon

Phát xạ phonon

Vùng hóa trị

Vùng hóa trị

Bán dẫn vùng cấm
thẳng
) (a)

Bán dẫn vùng cấm xiên
(b)

Hình 1.8 Các quá trình tái hợp cặp điện tử và lỗ trống
a) Quá trình tái hợp thẳng (tái hợp trực tiếp)
b) Quá trình tái hợp xiên (tái hợp gián tiếp).
Nếu như cực tiểu năng lượng vùng dẫn nằm ở k = 0 và cực đại năng lượng vùng hóa trị
cũng xảy ra ở k = 0 thì sự chuyển dịch điện tử là thẳng hay trực tiếp (hình 1.8a). Khi các
cực đại vùng hóa trị và cực tiểu vùng dẫn khơng nằm ở cùng giá trị k, thì sự chuyển dời
điện tử sẽ là xiên (hay là gián tiếp) (hình 1.8b) và sự chuyển dời này không theo quy tắc
chọn lọc Δk = 0. Vì vậy, quá trình tái hợp này cần phải có sự tham gia của hạt thứ 3, đó là
phonon để đảm bảo quy tắc bảo toàn xung lượng hay quy tắc chọn lọc vectơ sóng k.
24

Có thể quan sát các q trình tái hợp phát xạ và tái hợp không phát xạ như biểu diễn
trên hình 1.9 dưới đây. Hình 1.9 mơ tả q trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống trong mạng
tinh thể. Có thể thấy, q trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống phát xạ photon (hình 1.9a) và
khơng phát xạ mà chuyển thành dao động mạng tinh thể (hình 1.9b).
Dao động điện tử

Điện tử

Lỗ trống

(a)

(b)

Hình 1.9 Quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống trong mạng tinh thể [28]
a) Quá trình tái hợp phát xạ ra photon
b) Q trình tái hợp khơng phát xạ hình thành dao động mạng.

1.4 Điơt phát quang (LED)
Có thể thấy, một điôt phát quang LED về bản chất là một chuyển tiếp pn. Khi đặt một
điện áp thuận thì chuyển tiếp pn sẽ phát sáng. Theo các thông báo của các tác giả trong
[28,70], hầu hết các LED thương mại là các chuyển tiếp pn có nồng độ pha tạp cao kiểu
đột ngột và có năng lượng photon phát ra xấp xỉ bằng năng lượng vùng cấm hν  Eg.
1.4.1 Cấu trúc
Một cấu trúc điển hình của LED được biểu diễn trên hình 1.10.

GaN (p)
Vùng hoạt động

GaN (n)
GaN (lớp đệm)
Đế Sapphia

b)
a)
Hình 1.10 Cấu trúc LED và sơ đồ tương đương
a) Cấu trúc, b) Sơ đồ tương đương.
25