COB LED công suất cao và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng

1

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
2

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 A
i
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
3

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 soát 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 k
abs
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 k
abs
77
3.7.2 Xác định quang thông của HPCOBED 78
3.7.3 Ước lượng độ không đảm bảo đo 79
3.8 Nghiên cứu tính chất quang điện của HPCOBLED 81
3.8.1 Khảo sát ảnh hưởng dòng I
f
và nhiệt độ đến sự dịch chuyển đỉnh phổ
công suất 81
3.8.2 Ảnh hưởng dòng I
f
và nhiệt độ đến các thông số quang 82
3.8.3 Khảo sát ảnh hưởng dòng nuôi 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. Mô hình HPCOBLED 88
4.1 Mô hình quang thông phụ thuộc nhiệt độ của Mark W.Hodapp 88
4.1.1 Mô hình Mark W.Hodapp 88

4.1.2 Mô hình Mark W.Hodapp không thể sử dụng đối với HPCOBLED 89
4.2 Mô hình HPCOBLED (High Power COB LED Model) 97
4

4.2.1 Giả thiết của mô hình HPCOBLED 98
4.2.2 Mô hình HPCOBLED 98
4.3 Đánh giá độ chính xác của mô 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 thông theo mô hình HPCOBLED ở Tc = 25
0
C
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 công 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
5


Diffusion electric field
ing khuch tán



Luminous Flux
Quang thông



Radiant intensity
ng  bc x



Luminous intensity
 sáng



Dng hình hc 


Dng hình hc 
e
Electron
n t
E
c
Bottom of the conduction band energy
n
E
e
Electron energy
Nng cn t
E
Fn
Fermi level of the semiconductor n
Mc Fermi ca bán dn n
E
Fp

Fermi level of the semiconductor p
Mc Fermi ca bán dn p
E
g
Band gap energy
 rng vùng cm
E
h

Hole energy
Nng ca l trng
E
v
Top of the valence band energy
nh vùng hóa tr
h
Planck constant
Hng s Planck
I
f
Foward current
Dòng nuôi
n
Electron density
Nng  n t
N
a
Impurity density acceptor
N tp cht acceptor
N
c
The effective density of states of
the conduction band
N trng thái hiu dng trong
vùng dn
N
d
Impurity density donor
N tp cht donor

N
v
The effective density of states of
the valence band
N trng thái hiu dng trong
vùng hoá tr
p
Hole density
Nng  l trng
R
a
Color rendering index
H s hoàn màu
R
Auger
Auger recombination rate
T tái hp Auger
R
th j-a

Thermal resistance from junction to to
ambient
Nhit tr t chuyn ti n môi
ng
6

Danh mục các chữ viết tắt

Ký hiệu
Tên tiếng Anh
Tên tiếng Việt
T
a
Ambient temperature
Nhi ng
T
b
Board temperature
Nhi 
Tc
Case temperature
Nhi v (hoi vi
HPCOBLED)
T

j
Junction temperature
Nhi chuyn tip
T
sp
Solder point temperature
Nhi m hàn
V
Voltage
n áp

Frequency
Tn s

e
Radiant flux
ng bc x

Solid angle
Góc khi





Spectral sensitivity of the human eye
functions
H
7

B
Blue
Màu xanh da tri
CCT
Correlated Color Temperature

CGPM
General Conference on Weights
and Measures

CIE
International Commission on
Illumination (Commission

 sáng
CMFs
Color matching functions

CNC
Computerized Numerically
Controlled
u khin bng máy tính
COB

Chip On Board

Chip tích h
CRI
Color Rendering Index
H s hoàn màu

CT
Color Temperature
Nhi màu
DC
DC supply
Ngun DC
DE
Droop effect
Hiu 
EL
Electroluminescence
n hunh quang
EMS
Electromagnetic Spectrum

G
Green
Màu xanh lá cây
GPM
Goniophotometer Methhod
     

HPCOBLED
High Power Chip On Board
Light Emitting Diode
COBLED công sut cao
IR
Infra Red

IS

Integrating Sphere

ISPM
Integrating Sphere Photometer
Method
     
    

ISSM
Integrating Sphere
Spectroradiometer Method
     
    

ISSPM
Integrating Sphere
Spectroradiometer Photometer
     
    
8

Method
      và  

K
Kelvin
Nhi Kelvin
LED
Light Emitting Diode


MOCVD
Metal Organic Chemical Vapor
Deposition
L ng hóa hc t   p
ch
NIST
National Institute of Standards
and Technology (USA)

gia (USA)
NMIs
National Metrology Instituties
Các Ving quc gia
SSL
Solid State Lighting
Ngun sáng rn
R
Red

TEC
Thermo Electric Cooler
B làm lnh
UV
Ultra Violet


Danh mục các bảng

Bng 1.1 Tóm tc ca LED t các vt liu bán dn [49] 28
9


Bng 2.1  c x c quang [16]. 37

Bng 3.1 Các hóa cht s dng trong quy trình lng lp phn x khuch tán 63
Bng 3.2 T l hp phn dung dch phun dùng lng lp phn x khuch tán. 64
Bng 3.3 Các thông s công ngh s d kho sát ng ca khong cách phun.65
Bng 3.4 Các thông s công ngh s d kho sát ng ca áp sut phun. 67
Bng 3.5 Các thông s công ngh ca lp ph phn x khuch tán có chiu dày khác nhau.69
Bng 3.6 Quang thông cn ph nh trên h VMI-PR-001. 74
Bng 3.7 Giá tr quang thông cn ph  các th 76
Bng 3.8 Kt qu i vn ph (SCL-1400-E120). 78
Bng 3.9 Kt qu a HPCOBLED (216A, S/N: 033). 78
Bng 3.10 Kt qu nh quang thông ca HPCOBLED (216A, S/N: 033). 79
Bng 3.11  m bu chun HPCOBLED. 79

Bng 4.1 Kt qu kho sát s ph thuc quang thông vào nhi i vi HPCOBLED
90
Bng 4.2 Giá tr quang thông ca các HPCOBLED tính theo mô hình Mark (4.2). 92
B chênh lch nhi a các HPCOBLED. 97
Bng 4.4 S suy gim công sut ca các HPCOBLED theo nhi Tc. 99
Bng 4.5 Quang thông c tn nhit. 103
Bng 4.6 Quang thông ca các HPCOBLED ti nhi Tc=25 0C theo mô hình
HPCOBLED. 104









Danh mục các hình vẽ và đồ thị

10

Hình 1.1 Quá trình phát trin LED [78]. 16
Hình 1.2 S hình thành chuyn tip pn. 17
Hình 1.3 Gi ng ca chuyn tip pn  u kin cân bng nhit [25]. 18
Hình 1. 4 Gi ng ca chuyn tip pn phân cc thun. 20
c tuyn I-V ca chuyn tic làm t các vt liu bán dn khác nhau. 21
Hình 1. 6 Gi ng chuyn tip pn phân cc. 22
Hình 1.7 Tái hn t - l trng [28]. 23
Hình 1.8 Các quá trình tái hp cn t và l trng 24

Hình 1.9 Quá trình tái hp cn t - l trng trong mng tinh th [28] 25
Hình 1.10 Cu trúc   25
Hình 1.11 Quá trình tái hp cn t - l trng phát x photon 26
Hình 1.12 Gi biu dic sóng ca ánh sáng phát x trong khoc sóng
 m ca các hp cht A
III
B
V
[70]. 27
Hình 1.13  mô t nguyên lý c [61]. 29
 th s ph thung bc x vào dòng I
f
[9]. 31
 th biu din phân b n t và l trng trong 32
Hình 1.16 Cu trúc ca mn hình 33
Hình 1.17 Hình nh các sn phc to ra t HPCOBLED [39,45,46].
34

Hình 2.1 Ph bc x n t vùng kh kin [42]. 35
 nhy ca mi V() 35
Hình 2.3 ,,) [16]. 39
Hình 2.4  40
Hình 2.5 Gi t màu CIE 1931 [16]. 40
Hình 2.6   [16]. 43
Hình 2.7   [7,16]. 44
Hình 2.8  45
Hình 2.9  nguyên lý c 47
  49
Hình 2. 11 Dng hình h 50
 nguyên lý c ISPM. 52

Hình 2.13 Dng hình h 52

Hình 3.  khi h  55
Hình 3.2 V c tm chn sáng 1 57
11

c và v trí tm chn sáng 2 58
c và v trí tm chn sáng 3 58
Hình 3.5 Bn v tng th qu cng kính d = 1 m. 59
Hình 3.6 Hàm ph  nhi f
1
 ca quang k chun [62, 81]. 60
Hình 3.7 Bán c 62
Hình 3.8 Ph phn x khuch tán vi t l hp phn dung dch phun khác nhau 64
Hình 3.9 Ph phn x khuch tán vi khong cách phun khác nhau 66
Hình 3.10 nh chp hình thái b mt ca lp ph vi khong cách phun khác nhau 67
Hình 3.11 Ph phn x vi áp sut phun khác nhau 68
Hình 3.12 nh hình thái b mt ca lp ph  các áp sut phun khác nhau 69
Hình 3.13 Ph phn x vi chiu dày lp ph khác nhau 70
Hình 3.14 Quy trình công ngh lng lp ph phn x khuch tán t vt liu BaSO
4
. 71
Hình 3.15 Bán qu cu tích phân sau khi lng lp phn x khuch tán. 71
Hình 3.16 H VMI-PR-001 sau khi hoàn thành lt. 72
Hình 3.17 V trí ln ph bên trong qu cu tích phân. 73
Hình 3.18 Kt qu hiu chun ph công sut. 74
Hình 3.19 Kt qu  nh h th. 75
Hình 3.20 nh HPc g tn nhit TECMount 284. 77
Hình 3.21 Ph công sut ca HPCOBLED, (216A, S/N: 033). 79
 th s ph thuc ca ph công sut vào nhi và dòng I

f
82
 Tc ca HPCOBLED. 82
 th ph thuc ca quang thông vào nhi Tc ti các giá tr dòng I
f .
83
Hình 3.25  th ph thuc ca công sut quang vào nhi Tc ti các giá tr dòng I
f.
83
 th ph thuc cn áp theo nhi Tc ti các giá tr dòng I
f
84
 th ph thuc ca công sut tiêu tán vào nhi Tc ti các giá tr dòng I
f
85
 th ph thuc ca hiu su
v
vào nhi Tc ti các giá tr I
f
85
Hình 3.29 S i t màu (x,y) theo nhi Tc. 86
 th ph thuc ca nhi  T
c
. 86

Hình 4.1 Cu trúc ca mt LED ri rn hình 88
m nhi (a) và mô hình nhit tr ca LED (b) 89
 th ph thuc ca quang thông vào nhi ca các HPCOBLED 91
 th s ph thuc ca quang thông vào nhi cnh
theo mô hình Mark (4.2). 91

Hình 4.5 S suy gim quang thông khi nhi i vi các HPCOBLED 93
12

Hình 4.6 nh phân b nhit ca các HPCOBLED ti Tc = 25
0
C 94
Hình 4.7 Phân b nhit ca các HPCOBLED ti Tc = 55
0
C 95
Hình 4.8 Phân b nhit ca các HPCOBLED ti T
c
= 85
0
C 96
 mt ct ngang ca mt HPCOBLED 97
 t tr ca HPCOBLED (b). 98
 th ph thuc ca quang thông vào nhi ca các HPCOBLED so sánh
gia giá tr thc nghim và giá tr tính theo mô hình HPCOBLED 100
 th so sánh kt qu thc nghim, kt qu theo mô hình HPCOBLED 101
Hình 4.13 nh HPCOBLED g tn nhit 103

Mở đầu
, 

13

là 
-IEA), 
  và 
 [41]
 
hu
 [3]. 
là tìm
u 
 .
, công
 (Solid State Lighting - SSL) 
 
4,11,28,35,36,38,39,51,65,75
on Board Light- 
 




[17,27,30,39,45,46,52,66,69,73,76].

cá

 
          .      


f
 [6,9,17,31,36,44,52,55,56,64,69,81,85-89].
 
LED nói chung và HPCOBLED
nói riêng.

, 
các HPCOBLED . 

Q                 


 
 là,  
HPCOBLED, các    25
0
C và
m

  



chính xác và 
 
 
14

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. 
2. HPCOBLED 
xác cao.
3. 
( 
%).
4.  .
5.  
thông vào nhi.
6.       BLED      
HPCOBLED 
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
1. PCOBLED và x
:
 T 1 m có  hình 
 và 4; l

4
.
 L 

.
  .
2. 
f
   
các HPCOBLED.
3. 

4. N             
5
0

Phương pháp nghiên cứu

  
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
 P             

 n.
 C                 
   
(380 ÷ 780) 
15

  thành công 

 N
 Tc 
 


0
trên 
Cooler-TEC).
Ý nghĩa thực tiễn
             
HPCOBLED (  VMI-PR-001) 
 K 
-PR-001.
 

0
 trên  VMI-PR-001 không
 (TEC) .
Kết cấu của luận án





  

Mô hình HPCOBLED.

16

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)
 

















Hình 1.1 Quá trình phát triển LED [78].
T hình 1.1 có th thy, quá trình phát trin LED có các mc phát trin quan trng sau 

 - c nghiên cu phát trin trên 
hin hunh quang (electroluminescence - EL) do H.J.Round phát hin ra vào
 ông nghiên cu vt liu SiC [28,66,70,73].
c tìm ra các bán dn hp cht nhóm A
III
B
V
 ra kh n
trong ng dng hiu n trong công ngh LED [25,26,28,73,82].
u tiên các nhà khoa h to thành công LED có ánh sáng màu
 bng lp bán d GaAs. Cùng trong thi gian
n th GaAs bng GaP thì LED cho hiu sut phát
 [28].
i vào nu thp k 1960 và tip tc phát trin trong
nhng thp k 1970 và 1980 [28,33,65,70,73].
ng s  to thành công LED phát quang trong vùng UV
và xanh da tri vi hiu suc khong ~  vt liu GaN [51].
Th
1965
100


10


1


0.1
Hiu sut phát quang , lm/W

1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
nh quang

t

Edison
17

 to thành công LED phát quang màu xanh lá cây t bán
dt hiu sut khong ~ 10% [66,75,77].
Có th thy, vic ch to thành công các LED phát ra các , xanh da tri và
xanh  hu ht ph màu sc mà mi có th cm nhc.
ng, s phát trin c vt liu InGaN là ti  ch to
LED ánh sáng trng. Tht vi Nhc nhn gii
ng Công ngh thiên niên k (Millennium Technology) cho phát minh LED ánh sáng
trng [75,77].
 
  

v

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
Mt chuyn tip pn (còn gi là chuyn tin t - l trng) s hình thành nu trong
mt tinh th bán dn thun nht, bng m a nhn
c hai min bán dn, mt min pha tp acceptor (min p) và mt min tip xúc vi nó
pha tp donor (min n). Ranh gii tip xúc ca hai mic gi là tip xúc công
ngh hay là tip xúc luyn kim [5,8].
Tht vy, hãy xem xét bc tranh hình thành mt chuyn tip pn trên hình 1.2.









Hình 1.2 Sự hình thành chuyển tiếp pn.
D dàng thy rng, min p (có nhiu l trng) tip xúc vi min n (có nhin t), s
dn  vùng lân cn tip xúc công ngh xut hin mt chênh lch n các ht ti.
Các l trng s khuch tán t min p sang mic ln t s khuch tán
t min n sang min p. Quá trình khuch tán này s phá v s trung hòa v n  các min
trên và s phá v này s xut hin  gn tip xúc công ngh. Kt qu là,  min p s xut
hin các nguyên t b n tích âm, còn  min n xut hin các nguyên t b
n hình thành mn tích không gian  hai phía
tip xúc công ngh.
Hãy xét mt chuyn ti nhi ion hóa, các ht dn
xut hin do s ion hóa tp cht. Vì vy, có th  n t trong bán dn loi
Bán dn n

n t
Bán dn p
L trng
Tip xúc công ngh
Vùng n tích
không gian
18

n cân bng n tp cht donor và n l trng trong bán dn loi p cân bng nng
 tp chy, n cn t và l trc biu din
theo biu thc sau [5,8,25].
n = N
d
(1.1)
p = N
a
(1.2)
 
d
là n tp cht donor và N
a
là n tp cht acceptor.
Ngoài các ht dn, trong bán dn tp cht còn cha các ht dn thiu s (các ht
dn), nói cách khác, trong bán dn loi n có cha mt s l trng vi nng
 p
n
và trong bán dn loi p có cha mt s n t vi n n
p
. N ht ti trong
mt cht bán dn bt k có th nh t nh lut khng hiu dc

biu din theo biu thc sau [8,25]:







(1.3)
vi n
i
là n ht ti trong bán dn thunh  cùng mu
kin nhi.
Nu n tp cht N
d
và N
a
bng nhau thì hai min tích không gian  hai phía
ca tip xúc công ngh s  rng bng nhau, có tr s n tích cân bng và chúng to
thành mt vùng nghèo.
Khi chuyn tip pn  u kin cân bng, hình thành mn th còn gi là th khuch
tán V
bi
ng vi nó là hàng rào th  có giá tr bng eV
bi
n tích.
S n tích không gian lân cn tip xúc công ngh s làm xut hin mt
ng ging khuch tánng này có chiu chng li quá trình
khuch tán cn t t bán dn loi n sang bán dn loi p và ca l trng t bán dn loi p
sang bán dn loi n.

D E
Fn

E
Fp

này d
m 
trên hình 1.3.










Hình 1.3 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng nhiệt [25].
T hình 1.3, có th nh th khuch tán theo biu thc sau:







 


 (1.4)
n
p
e
Fp

E
Fp

E
v

E
c

E
Fi

eV
bi

e
Fn

E
Fn

E
v

E
c

E
Fi


diff

19

 nhi ion hóa, n n t trong bán dn n  u kin cân bng n
o
c xác
nh theo biu thc sau [25]:











 (1.5)
vi Nc là nng  trng thái hiu dng trong vùng dn, E
F
ng Fermi, E

i
là
ng Fermi ca bán dn thun, k là hng s Boltzmann, T là nhi (Kelvin)
T , chúng ta có th nh th 
Fn
trong bán dn loi n theo biu thc sau [25]:




 

(1.6)
Thay biu thc (1.6) vào biu thc (1.5) có th nh c n n t  u kin
cân bng trong bán dn lo











 (1.7)
Thay biu thc (1.1) vào biu thc (1.7), th 

nh theo biu thc sau:











 (1.8)
, trong bán dn loi p, n l trng  u kin cân bng p
o
nh
theo biu thc sau:













 (1.9)


a
là n tp cht acceptor.
và th 
Fp
trong vùng bán dn lonh theo biu thc sau:




 

(1.10)
hay là: 









 (1.11)
Cui cùng, thay biu thc (1.8) và biu thc (1.11) vào biu thc (1.4), chúng ta có th
c th khuch tán ca mt chuyn tip pn  u kin cân bng:














 (1.12)
 u kin cân bng, liên h gia chiu dày vùng n tích không gian trong các vùng bán
dn loi n và loc biu din theo biu thc sau [25]:








(1.13)
T các biu thc (1.13) và (1.12), chúng ta có th c các chin
tích không gian trong bán dn loi n và loi p ca chuyn tip pn [25]:



















 (1.14)
và 

















 (1.15)

20

D dàng thy rng, chin tích không gian ca chuyn tic xác
tng các chin tích không gian trong bán dn loi n và loi p,
hay là:
L = L
n
+L
p
(1.16)
Thay các biu thc (1.14) và (1.15) vào biu thc (1.16), chi   n tích
không gian ca chuyn tinh theo biu thc sau:














 (1.17)
 là hng s n môi ca bán dn.
Hình 1.3, y:
eV

bi
- E
g
 (E
C
- E
F
)  ( E
F
- E
V
) = 0 (1.18)
D dàng thy rng, tng hp bán dn có n pha tp cao s dn chênh
lch các mng E
C
, E
V
và mc Fermi tr  so vng
vùng cm. Hay là E
C
- E
F
<< E
g
 min n và E
F
- E
V
<< E
g

 min p.
Hay là, th khuch tán s gn b ng vùng c   n tích e. Th
khuch tán này có th ng V
th
c nh theo biu
thc sau [25]:
V
bi

th

g
/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
t mn áp V
f
vào chuyn tip pn vi ct lên bán dn p và cc âm
t lên bán dn n, ta nói rng chuyn tip pc phân cc thuu kin cân
bng ca chuyn tip pn s b phá v. ng ht vào s suy
gim mng V
f
và bng (V
bi
- V
f
), ng vi chiu cao rào th là e(V
bi
- V
f

).
Gi ng ca chuyn tip pn  u kin phân cc thuc biu din trên
hình 1.4.








Hình 1. 4 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn phân cực thuận.

diff
ng khuch tán
eV
a

E(V
bi
- V
f
)
n
E
Fp

E
v

p
E
c

E
Fi

E
Fn


diff

E
v

E
c

E
Fi

21

y, biu thc (1.17) có th c biu din li  sau [25]:


















 (1.20)
D dàng thy rng, chin tích không gian ca chuyn tip gidn
n dòng các ht tn qua chuyn tip pn s 
ng hp phân cc thu- n áp (I-V) ca chuyn tip p
c Schockley mô t theo biu thc sau [25,28,70]:





   (1.21)
 I
S
là dòng bão hòa và nh theo biu thc sau:

























 (1.22)
tn tích mt ct ngang ca chuyn tip pn, D
n
và D
p
là các h s khuch
tán cn t và l trng, 

và 


là thi gian sng cn t và l trng.
 u kin phân cc thun khi n áp phân cc thun là ln, hay là V >> kT thì



  )  


. Kt hp vi biu thI-V ca chuyn tip pn
c biu din theo biu thc sau:






















 (1.23)
-V ca các vt liu bán dn khác nhau ti nhi T = 300 c biu din trên
hình 1.5.











Hình 1. 5 Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp pn được làm từ các vật liệu bán dẫn khác nhau.
T hình 1.5, d dàng nhn thy, ng vi mi mt loi vt liu bán dn khác nhau có
ng khác nhau.
n áp (V)
Dòng (mA)
22

1.2.2.2 Chuyển tiếp pn phân cực ngược
Nt lên chuyn tip pn mc V
R
t lên trên bán
dn n và ct lên bán dn p, ta nói chuyn tip pn phân cc.
ng hp này, có th thng ngoài cùng ching khuch
tán và ng tng cng s  dn chiu cao rào th i vi các ht d
bên mng eV

R
. Gi ng chuyn tip pn phân cc
biu din trên hình 1.6 .








Hình 1. 6 Giản đồ năng lượng chuyển tiếp pn phân cực ngược.

t








 

  

(1.24)
hay





 

 (1.25)

R
c.
y, khi chuyn tip pn phân cc thì chin tích không gian
ng hp này, theo biu thc (1.17) nh chin tích không
gian c vit l:

















 (1.26)
1.3 Tái hợp phát xạ và tái hợp không phát xạ

Trong cht bán dn t và l trng có th tái hp và quá trình này có th phát x
hoc không phát x. Trong thc t, c hai quá trình tái hp phát x và không phát x luôn
ng thi tn ti vi các linh kin phát quang rn, cn phi t
trình tái hp phát x và gim thiu quá trình tái hp không phát x.
1.3.1 Tái hợp phát xạ
 u kin cân bng, m ht tnh lut tác dng khng [28]. Tuy
nhiên, trong bán dn s tn ti các ht ti hoc s chiu sáng hoc dòng

diff

n
E
Fp

E
v

p
E
c

E
Fi

E
Fn

eV
R

eV
t

e
Fn

E
v

E
c

E
Fi

23

nuôi. Các ht t tham gia vào quá trình tái hp khi có mn t trong
vùng dn n gn vi l trng trong vùng hóa tr. Trong quá trình tái hn t - l trng
kt hp to thành mt cp và mng  c gii phóng. Ví d, mn
t nh x   vùng dn có th tái hp vi mt l trng nh x  nh
vùng hóa tr (hình 1.7).  n s suy gim n ht t mô
t cho s suy gim n ht tm t tái h
bit, xác sut tái hp cn t - l trng t l vi n cp (hoc
y, R s t l vi tích n n t và l trng hay là R  pn và R có th xác
nh theo biu thc sau [28]:







 (1.25)
 s tái hp.






Hình 1.7 Tái hợp điện tử - lỗ trống [28].
i vi các bán dn vùng cm thn t t nh x gn có th tái
hp trc tip vi các l trnh x gnh vùng hóa tr và quá trình này dn phát x
photon. c li các bán dn vùng cm xiên, do các ht tng ng khác nhau
nên xác sut xy ra quá trình tái hp trc tip là rt nh và quá trình này s tng
 mng tinh th. Vì vy, tái hp không phát x nhìn chung là tái hp
không mong mui vi linh kin phát quang do hai nguyên nhân: cp ht ti b m
khi không có ánh sáng phát ra và cu trúc tinh th b nóng lên.
1.3.2 Tái hợp không phát xạ
Quá trình tái hp cn t - l trng mà không có s phát x c gi là
tái hp không phát x. ng hp này, n t c chuyn thành các
 ng mng tinh th  c gi là      n t s c
chuyng nhit.
Có nhi gii thích quá trình tái hp không phát x. Nguyên nhân ch
yu là do có s sai hng cu trúc tinh th và ngoài ra, có th do tái hp mc sâu.
M tái hp không phát x quan trp Auger [28,70]. Trong quá
ng sinh ra bi tái hp cn t - l trc gii phóng bng cách
kích thích mt n t dch chuyn hoc kích thích l trng
dch chuyn xung hp này, các ht tc kích
thích bi phonon và mt dng gn bng

n honh vùng hóa tr.
T tái hp Auger R
Auger
c biu din bi các biu th28]:






(1.26)






 (1.27)
n t
L trng
E
C

E
V

24


p

và C
n
ng là các h s Auger ca l trn t.
Có th thy, tái hp Auger t l v ht ti bi vì quá trình này cn
hai ht ti cùng loi dy, có th thy, quá trình th nht xy ra  các bán dn loi
p do có nhiu l trng (biu thc 1.26) và quá trình th hai xy ra  các bán dn loi n do
có nhin t (biu thc 1.27).
Trong quá trình tái hp Auger, do s sai khác cng  vùng dn và
vùng hóa tr nên các h s C
p
và C
n
là không ging nhau. Trong hp gii hn kích
thích cao, tc là khi các ht tc kích thích có n t ti cân bng,
biu thc mô t t tái hnh l [28]:




 







(1.28)
c gi là h s Auger.
Biu thc (1.28) cho thy, quá trình tái hp Auger s làm suy gim hiu sut phát quang

ca vt liu. Nguyên nhân là do t tái hp R
Auger
t l vi l ht ti.
H s ng trong khong (10
-28
÷ 10
-29
) cm
6
i vi các bán dn hp
cht A
III
B
V
[28].
C biu ding
cn t và l trng theo hàm s E(k) và có dng parabol  gn cc tr (Hình 1.8). Do
cu trúc và phân b nguyên t khác nhau trong tinh th nên các trng ca
n t trong vùng dn và l trng trong vùng hóa tr phân b có các cc tr khác nhau
trong không gian E(k).

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).
Nc ting vùng dn nm  k = 0 và cng vùng hóa tr
y ra  k = 0 thì s chuyn dn t là thng hay trc tip (hình 1.8a). Khi các
ci vùng hóa tr và cc tiu vùng dn không nm  cùng giá tr k, thì s chuyn di
n t s là xiên (hay là gián tip) (hình 1.8b) và s chuyn di này không theo quy tc
chn l = 0. Vì vy, quá trình tái hp này cn phi có s tham gia ca ht th 3, 
 m bo quy tc bng hay quy tc chn l
) (a)




(b)
Vùng dn
Phát x photon
Bán dn vùng cm
thng
Bán dn vùng cm xiên
Phát x phonon

Vùng dn
Vùng hóa tr
Vùng hóa tr
25

Có th quan sát các quá trình tái hp phát x và tái hp không phát x u din

 Hình 1.9 mô t quá trình tái hp cp n t - l trng trong mng
tinh th. Có th thy, quá trình tái hp cn t - l trng phát x photon (hình 1.9a) và
không phát x mà chuyn thành ng mng tinh th (hình 1.9b).









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) Quá trình tái hợp không phát xạ hình thành dao động mạng.
1.4 Điôt phát quang (LED)
Có th thy, m bn cht là mt chuyn tip pt mt
n áp thun thì chuyn tip pn s phát sáng. Theo các thông báo ca các tác gi trong
[28,70], hu hi là các chuyn tip pn có n pha tp cao kiu
t ngng photon phát ra xp x bng vùng c E
g
.
1.4.1 Cấu trúc
Mt cn hình ca LED c biu din trên hình 1.10.

Hình 1.10 Cấu trúc LED và sơ đồ tương đương
a) Cấu trúc, b) Sơ đồ tương đương.
n t
in t
L trng
(a) (b)
GaN (p)
Vùng hong
GaN (n)
GaN (lm)
 Sapphia
a)
b)