NGUYỄN THANH PHONG
KHẢO SÁT VÀ ĐỀ XUẤT TIÊU CHUẨN CỦA LED
Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS : NGUYỄN VĂN HIẾU
Thành phố Hồ Chí Minh - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong i
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. Sơ lược lý lịch:
Họ và tên: Nguyễn Thanh Phong, Sinh ngày: 27/06/1973.
Nơi sinh: Sài Gòn, Dân tộc: Kinh.
Chỗ ở hiện nay: 60 đường số 1, khu phố 3, phường An Lạc, quận Bình Tân, thành
phố Hồ Chí Minh.
Điện thoại: Nhà riêng: 08 22362842, Di động: 0913711945.
Email:
Cơ quan làm việc: trường THPT Bình Chánh
Địa chỉ cơ quan: 1D/17 đường Huỳnh Văn Trí, ấp 4 xã Bình Chánh, huyện Bình
Chánh, thành phố Hồ Chí Minh.
Điện thoại: 08 38758650
II. Quá trình đào tạo:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian: 10/1993 đến 10/1997
Nơi học: trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Vật lý.
Tên đề tài khoá luận tốt nghiệp (nếu làm khóa luận tốt nghiệp): Thiết kế các hệ đo
đường nữa ngày, xác định thiên đỉnh và lắp đặt kính thiên văn.
Thời gian bảo vệ (ngày, tháng, năm) 29/08/1997
Nơi bảo vệ (trường, thành phố): Hội đồng chấm luận văn khoa vật lý trường Đại học
sư phạm TP Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn khoá luận tốt nghiệp: TS. Trần Quốc Hà.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong ii
III. Quá trình công tác:
Thời gian
Nơi công tác
Công việc đảm nhiệm
1998-1999
Trường THCS Vĩnh Lộc A
Giáo viên
1999-2005
Trường Bồi Dưỡng Giáo dục Bình Chánh
Giáo viên
2005-2012
Phòng Giáo dục huyện Bình Chánh
Phụ trách chuyên môn
2012-nay
Trường THPT Bình Chánh
Giáo viên
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong iii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 11 năm 2014
Nguyễn Thanh Phong
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong iv
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này, tôi xin trân trọng cảm ơn quý thầy, cô đã tận
tình giảng dạy, cung cấp kiến thức, tài liệu và hướng dẫn Luận văn.
Trước hết, tôi bày tỏ lòng biết ơn đến PGS-TS. Nguyễn Văn Hiếu, Trưởng phòng
quan hệ Quốc tế trường đại học khoa học tự nhiên, Trưởng Khoa Điện tử Viễn thông,
Trưởng bộ môn Vật lý-Điện tử, Trường ĐH Khoa học Tự Nhiên Tp. Hồ Chí Minh. Thầy
đã hướng dẫn tận tình, dẫn dắt tôi nghiên cứu trong suốt đề tài, đã tạo điều kiện về nơi làm
thí nghiệm để tôi thực hiện đề tài, nhắc nhở, đôn đốc, chỉ bảo tận tình để tôi hoàn chỉnh nội
dung luận văn này.
Để có được kiến thức làm luận văn tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy ở phòng thí
nghiệm đã truyền đạt kiến thức cho tôi cụ thể: GS-TS. Đặng Mậu Chiến; TS. Tống Duy
Hiển; TS Đoàn Đức Chánh Tín . . .
Chân thành cảm ơn ban giám đốc cùng toàn thể nhân viên Trung Tâm Nghiên cứu
và Triển khai khu công nghệ cao đã tạo điều kiện cho tôi được làm việc với phòng sạch tại
đây. Bày tỏ lòng biết ơn của mình đến thày cô khoa vật lý chất rắn cao, khoa điện tử viễn
thông, phòng bộ môn vật lý ứng dụng trường Đại học khoa học tự nhiên đã tạo mọi điều
kiện và giúp đỡ cho tôi hoàn thành các thí nghiệm để hoàn thành luận văn này.
Cảm ơn ThS. Vũ Thế Đảng, em Đinh Hoàng Việt Minh đã đồng hành cùng tôi trong
suốt quá trình làm luận văn này.
Chân thành cảm ơn lãnh đạo Phòng Giáo dục và Đào tạo huyện Bình Chánh, ban
giám hiệu trường THPT Bình Chánh đã tạo điều kiện để tôi có thời gian học tập và công
tác trong suốt thời gian qua.
Xin cảm ơn gia đình đã tạo điều kiện và kinh phí để tôi có thể học tập và công tác
trong suốt thời gian vừa học tập và công tác.
Trân trọng gởi đến mọi thành viên,
Nguyễn Thanh Phong
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong v
MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Lý thuyết vùng năng lượng với 3 vùng năng lượng của điện tử. 8
Hình 2. 2: Các quá trình xảy ra giữa 2 vùng năng lượng. 8
Hình 2.3. Minh họa cho sự tái hợp của electron-lỗ trống. 10
Hình 2.4. Minh họa cấu tạo lớp chuyển tiếp p-n bên trong LED 11
Hình 2.5. Đặc tuyến Volt –Ampe của chuyển tiếp p-n khi phân cực thuận. 12
Hình 2.6. Quang phổ của ánh sáng tự nhiên 14
Hình 2.7. Phòng thí nghiệm quang học đại học Duy Tân – Đà Nẵng. 22
Hình 2.8. Công ty bóng đèn Điện Quang chi nhánh Đồng An – Bình Dương. 22
Hình 2.9. Kính hiển vi kết nối máy tính Olympus MX-51 đặt tại Phòng sạch-
Trung tâm nghiên cứu và triển khai – khu công nghệ cao 26
Hình 2.10. Cấu tạo LED Epistar 3W. 27
Hình 2.11. Hệ đo 4200-SCS tại phòng thí nghiệm Trung Tâm Nghiên cứu Triển
khai (Khu Công nghệ cao Tp.HCM) 28
Hình 2.12. Đặc tuyến I-V của LED WHITE COOL 1. 28
Hình 2.13. Dạng đặc tuyến I-V của các LED Epistar 3W. 29
Hình 2.14. Đặc tuyến thu được của LED Die tại nhiệt độ T
o
và T
1
30
Hình 2.15. Cảm biến Synapse CCD và quang phổ kế IHR 320. 30
Hình 2.16. Hệ thống Synapse CCD và buồng tối tại Phòng Thí Nghiệm Bộ Môn
Vật Lý Ứng Dụng trường đại học khoa học tự nhiên 31
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong vi
Hình 2.17. Sơ đồ kết nối Camera CCD với máy tính. 32
Hình 2.18. Bước sóng của LED RED1. 32
Hình 2.18. Bước sóng của LED RED1 33
Hình 2.20. Bước sóng của LED WHITE WARM 1 33
Hình 2.21. Bước sóng của BLUE 1 34
Hình 2.22. Bước sóng của GREEN 1. 34
Hình 2.23. Hệ đo tuổi thọ LED với các yếu tố tác động như nhiệt độ, độ ẩm vv 37
Hình 3.1. Mô hình đường đi của dòng điện từ điện cực này đến điện cực kia theo 2
giả thuyết Rooad A và road B vv. 41
Hình 3.2. Mô hình đường đi của dòng điện từ điện cực này đến điện cực kia theo
giả thuyết đường nhắn nhất. 42
Hình 3.3. Kết quả mô phỏng hình dạng điện cực có ảnh hưởng đến mật độ dòng J
chạy đến điện cực. 43
Hình 3.4. Kết quả nghiên cứu hình dạng điện cực có ảnh hưởng đến mật độ dòng J
chạy đến điện cực trong 4 loại LED của nhóm tác giả Jung-Tang CHU. Kết quả
cho thấy khi giảm khoảng cách L và tăng diện tích bao phủ của điện cực, sẽ làm
tăng một cách đáng kể công suất phát sáng của LED. Ta có thể thấy rằng so với
mẫu LED (a) thì mẫu LED(d) có hiệu suất phát sáng cao gấp 7 lần tại cường độ
1.2A. 44
Hình 3.5. Đặc tuyến I-V cho 4 loại LED với các hình dạng điện cực khác nhau. 45
Hình 3.6. Hình dạng điện cực LED WHITE WARM và LED BLUE 46
Hình 3.7. Hình dạng điện cực LED RED 1. 46
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong vii
Hình 3.8 Hình dạng điện cực của LED WHITE COOL, 47
Hình 3.9. Máy SEM tại phòng TN nano TT nghiên cứu và triển khai khu công
nghệ cao TP.Hồ Chí Minh -Model: S-4800, HITACHI, Nhật bản. 48
Hình 3.10. Một số hình ảnh được chụp từa máy SEM. 48
Hình 3.11. Một số mẫu điện cực LED chụp từ máy Miroscope 48
Hình 3.12. Quy trình quan sát bề mặt điện cực của LED trên
kính hiển vi kết nối máy tính 50
Hình 4.1. Hệ đo 4200-SCS tại phòng thí nghiệm Trung Tâm Nghiên cứu Triển khai
(Khu Công nghệ cao Tp.HCM). 51
Hình 4.2. Kết quả đo đặc tuyến IV của chip LED 525nm (siêu sáng) tại SHTP labs.
Đặc tuyến gần như không đổi với 4 loại LED siêu sáng 52
Hình 4.3. Kết quả đo đặc tuyến IV của LED màu xanh tại SHTP labs. Đặc tuyến
gần như không đổi với 3 loại LED này ngoại trừ điện thế hoạt động V
th
tăng nhẹ.52
Hình 4.4. Đặc tuyến Volt –Ampe của chuyển tiếp p-n khi phân cực thuận. 53
Hình 4.5. Dạng đặc tuyến I-V của các LED Epistar 3W 54
Hình 4.5. Dạng đặc tuyến I-V của các LED Epistar 3W 55
Hình 5.1. Cảm biến Synapse CCD và quang phổ kế IHR 320. 56
Hình 5.2. Hệ thống Synapse CCD và buồng tối tại Phòng Thí Nghiệm Bộ Môn Vật
Lý Ứng Dụng trường đại học khoa học tự nhiên 56
Hình 5.3. Sơ đồ kết nối Camera CCD với máy tính. 57
Hình 5.4. Bước sóng của LED RED1. 57
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong viii
Hình 5.5. Bước sóng của LED WHITE COOL 1 58
Hình 5.6. Bước sóng của LED WHITE WARM 1 58
Hình 5.7. Bước sóng của BLUE 1 59
Hình 5.8. Bước sóng của GREEN 1 59
Hình 5.9. Bước sóng của LED RED2 60
Hình 5.10. Bước sóng của LED WHITE 2 60
Hình 5.11.Bước sóng của LED YELLOW 2 61
Hình 5.12. Bước sóng của LED BLUE 2. 61
Hình 5.13. Bước sóng của LED GREEN 2 62
Hình 6.1. LED 12W âm trần trong chiếu sáng dân dụng 65
Hình 6.2. LED type 12W âm trần trong chiếu sáng dân dụng 65
Hình 6.3. LED Panel siêu mỏng gắn trần 18W-30x30 66
Hình 6.4. Biểu đồ độ rọi phòng học F.3.4 dùng đèn huỳnh quang 67
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong ix
MỤC LỤC BẢNG
Bảng 2.1. Mức năng lượng bandgap và bước sóng phát xạ 14
Bảng 2.2. các đại lượng về LED 16
Bảng 2.3 Các tiêu chuản chiếu sáng tại Việt Nam 18
Bảng 2.4. Kết quả đo bước sóng phát xạ của LED 34
Bảng 3.1. tổng kết kích thước led khảo sát 48
Bảng số liệu điện trở LED 50
Bảng 5.1. So sánh bước sóng đo thực tế và bước sóng của nhà xản xuất đưa ra 62
Bảng 5.1. So sánh bước sóng đo thực tế và bước sóng của nhà xản xuất đưa ra 63
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong x
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Nghĩa
LED Light-emitting diode
LED BLUE 1 LED xanh dương thứ nhất
LED BLUE 2 LED xanh dương thứ hai
LED GREEN1 LED xanh lá cây thứ nhất
LED GREEN2 LED xanh lá cây thứ hai
LED RED 1 LED đỏ thứ nhất
LED RED 2 LED đỏ thứ hai
LED WHITE COOL 1 LED trắng lạnh thứ nhất
LED WHITE 2 LED trắng thứ hai
LED YELLOW 1 LED vàng thứ nhất
LED WHITE WARM 1 LED trắng ấm thứ nhất
SCS Semiconductor Chracterization System
LNT Phòng thí nghiệm Nano
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong xi
MỤC LỤC
Mục lục hình v
Mục lục bảng ix
Danh sách các từ viết tắt x
Lời nói đầu 1
Chương I: Tổng quan về đề tài 2
1. Giới thiệu về các ứng dụng của LED 2
1.1 Đèn LED trong giao thông 3
1.2. Đèn LED trong chiếu sáng và trang trí ở các tòa nhà lớn 3
1.3. Đèn LED dùng trong trang trí nội thất 3
1.4. Đèn LED trong y học 3
1.5. Đèn LED trong nông nghiệp 5
1.6. Đèn LED trong quảng cáo 5
1.7. Đèn LED dùng trong báo hiệu hàng không, hàng hải, không lưu 5
1.8. Đèn LED trong ngư nghiệp 5
1.9. Công nghệ LED trong thiết bị nghe nhìn 5
1.10. Đèn LED với thời trang 6
2. Nhiệm vụ của đề tài 6
3. Công việc thực hiện 6
4. Kết quả cần đạt được 6
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong xii
5. Phương pháp thực hiện 6
6. Tiến độ thực hiện 7
Chương II: LÝ THUYẾT VỀ PHÁT QUANG CỦA LED 8
2.1. Cấu trúc và nguyên lý phát quang 8
2.1.1. Cơ chế phát xạ 8
2.1.2. Hiệu suất phát xạ 9
2.1.3. Tái hợp electron và lỗ trống 9
2.1.4. Nguyên lý phát quang nối p-n 11
2.1.5. Đặc tính điện của LED 12
2.1.6. Đặc tính quang của LED 12
2.2. Lý thuyết về ánh sáng 13
2.2.1. Phổ ánh sáng tự nhiên 13
2.2.2. Nguồn gốc ánh sáng trắng 14
2.2.3. Các đại lượng cơ bản trong quang trắc 15
2.3. Một số tiêu chuẩn đo lường quốc tế về chiếu sáng và LED 15
2.3.1. Bảng 2.2. các đại lượng về LED 16
2.3.3. Tiêu chuẩn Nhật Bản 17
2.3.4. Tiêu chuẩn TM-21-11 17
2.3.5. Các tiêu chuẩn khác 17
2.3.5.2. Chuẩn chất lượng LED. 18
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong xiii
2.3.5.2. Phương pháp kiểm tra LED 18
2.4. Tiêu chuẩn đo lường Việt Nam về chiếu sáng 18
2.4.1. Tiêu chuẩn chiếu sáng dân dụng 21
2.4.2. Tiêu chuẩn chiếu sáng công cộng 21
2.4.3. Tiêu chuẩn chiếu sáng học đường 21
2.4.4. Các Phòng thí nghiệm đo lường quang học 21
2.4.5. Cơ quan chức năng về đo lường quang học 22
2.5. Phương pháp đo các thông số kỹ thuật của LED 22
2.5.1. Phòng thí nghiệm công nghệ bán dẫn, Trung tâm nghiên cứu triển khai, Khu
Công Nghệ Cao Thành phố Hồ Chí Minh 23
2.5.2. Bộ môn Vật lý ứng dụng, Khoa Vật lý - Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học hoc
học tự nhiên. 25
2.5.4. Các nội dung thực hiện tại các phòng thí nghiệm cho đề tài. 25
2.5.4.1. Quan sát hình dạng điện cực. 26
2.5.4.2. Khảo sát đặc tuyến IV của LED Epistar 3W 27
2.5.4.2. Khảo sát bước sóng phát xạ của LED Epistar 3W 30
2.5.5. Các thông số về tuổi thọ LED 36
Chương III: KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ HÌNH DẠNG ĐIỆN CỰC LED 39
3.1. Bài toán hình dạng điện cực tối ưu . 39
3.1.1. Khái niệm điện cực và thiết kế mặt nạ điện cực 40
3.1.2. Cơ sở tính toán lý thuyết cho hình dạng điện cực tối ưu 40
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong xiv
3.1.3. Cơ sở mô phỏng cho hình dạng điện cực tối ưu. 42
3.1.4. Xu hướng phát triển của vật liệu điện cực 44
3.2. Hình dạng điện cực LED 46
3.3. Đo điện trở bề mặt 50
3.3.1. Mô tả cách đo 50
3.3.2. Bảng số liệu điện trở LED 50
Chương IV: KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TUYẾN IV CỦA LED 51
4.1. Lý thuyết đặc tuyến IV 51
4.2. Một số kết quả mô phỏng cấu trúc UVLED 52
4.3. Qui trình đo 53
4.4. Kết quả đo đặc tuyến IV . 54
4.5. Khảo sát đặc tuyến I-V theo nhiệt độ. 54
Chương V. KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ BƯỚC SÓNG PHÁT XẠ CỦA LED 56
5.1. Mô tả hệ đo bước sóng phát xạ. 56
5.2. Kết quả đo bước sóng phát xạ 57
5.3. Đánh giá và tiêu chuẩn bước sóng phát xạ 63
Chương VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64
6.1. Các nội dung đề tài thực hiện 64
6.1. 1. Đề xuất các tiêu chuẩn LED 64
6.1.2.Khảo sát một số ứng dụng chiếu sáng LED 64
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong xv
6.1.2.3. Các đề xuất về hành chính 68
6.1.2.4. Đề xuất xây dựng phòng thí nghiệm đo kiểm LED 68
6.1.2.5. Triển vọng của LED 69
6.2. Các nội dung còn tồn động 70
6.3. Hướng phát triển của đề tài 70
Tài liệu tham khảo 71
Phụ lục 74
Luận văn tốt nghiệp HDKH: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 1
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của công nghệ bán dẫn đang được ứng dụng rộng rãi trong đời
sống hiện nay. Có rất nhiều loại linh kiện, thiết bị được chế tạo dựa trên cơ sở của
ngành công nghệ này. Một trong số đó phải kể đến sự ra đời của LED. Theo xu
hướng hiện nay của thế giới đó là tiết kiệm năng lượng và sử dụng năng lượng xanh,
nước ta cũng đang hòa nhập theo xu hướng trên với sự phát triển mạnh mẽ của LED
trong chiếu sáng. Thị trường LED chiếu sáng tại Việt Nam rất đa dạng, nhưng chúng
ta chưa có một tiêu chuẩn chất lượng cho LED, gây ảnh hưởng tới người tiêu dùng.
Nhu cầu cấp thiết hiện nay là phải có một bảng tiêu chuẩn đánh giá chất lượng
LED tại nước ta, trong phạm vi đề tài này với các trang bị hiện có sẽ tập trung nghiên
cứu về nguyên lý phát quang, các đại lượng về quang học, các đặc trưng về điện của
LED. Từ đó tiến hành đo đạc khảo sát thực tế trên các LED thu thập từ thị trường,
đưa ra nhận xét về chất lượng các LED này.
Trên cơ sở những gì làm được, đề ra phương hướng làm sao có thể xây dựng
một phòng thí nghiệm đo kiểm LED với mục đích lập ra bảng tiêu chuẩn chất lượng
LED cho thị trường Việt Nam.
Toàn bộ khóa luận được trình bày trong 5 chương ứng với các nội dung về lý
thuyết và sử dụng máy móc thực tế để đo lường các thông số điện và quang của
LED:
Chương 1: Tổng quan về đề tài.
Chương 2: Lý thuyết về phát quang của LED.
Chương 3: Khảo sát và đánh giá hình dạng điện cực LED.
Chương 4: Khảo sát và đánh giá đặc tuyến IV của LED.
Chương 5. Khảo sát và đánh giá bước sóng phát xạ của LED.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
Luận văn tốt nghiệp HDKH: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 2
Chương I:
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1. Giới thiệu về các ứng dụng của LED
Đèn LED ra đời từ những năm 60 của thế kỷ 20 và đến nay đã được sử dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Với nhiều cái “nhất” và “siêu”
như: tuổi thọ cao nhất, có lợi cho sức khỏe nhất, siêu sáng, siêu tiết kiệm điện… đèn
LED đã mang lại lợi ích vô cùng to lớn cho nhân loại. Sau đây là những ứng dụng
chứng tỏ được ưu thế vượt trội của nó. LED được dùng để làm bộ phận hiển thị
trong các thiết bị điện, điện tử, đèn quảng cáo, trang trí, đèn giao thông.Có nghiên
cứu về các loại LED có độ sáng tương đương với bóng đèn bằng khí neon. Đèn
chiếu sáng bằng LED được cho là có các ưu điểm như gọn nhẹ, bền, tiết kiệm năng
lượng.
Các LED phát ra tia hồng ngoại được dùng trong các thiết bị điều khiển từ xa
cho đồ điện tử dân dụng.
Hiện tại đèn LED trắng có tuổi thọ tới 100.000 giờ sử dụng, gấp 100 lần so với
bóng đèn 60W. Điều này có nghĩa là chúng có thể thắp sáng liên tục trong vòng
60năm. Và hơn thế nữa chúng dùng điện áp thấp cho nên không gây cháy nổ mà
tích kiệm điện hơn nhiều so với bóng đèn khác.
Điểm hấp dẫn ở loại đèn này là này nó có thể sử dụng để lắp đặt ở những nơi
khó thay lắp chẳng hạn như bên ngoài toà nhà, bể bơi v.v thay vì phải sử dụng
bóng đèn thông thường
Do những đặc điểm nổi trội trên nên giờ đèn LED đã được ứng dụng để Quảng
Cáo. Và cuộc cách mạng về đèn LED sẽ nhanh chóng thay đổi những biển quảng
cáo, hộp đèn, đèn neon sign cũ kỹ. Và nhanh tay cho những ai biết nắm bắt để có
cơ hội quảng bá Thương Hiệu, Cửa Hàng, Sản Phẩm v v bằng đèn LED.
Khi đang thực hiện đề tài này thì giải Nobel Vật lý 2014 vừa được trao cho ba
nhà khoa học Isamu Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura đã “phát minh ra
các diode phát ánh sáng (LED) màu xanh dương cho phép tạo ra các nguồn sáng
trắng sáng hơn và tiết kiệm năng lượng". Các diode xanh lá và đỏ đã xuất hiện từ
Luận văn tốt nghiệp HDKH: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 3
khá lâu nhưng vì không có ánh sáng xanh nên không thể tạo ra các bóng đèn trắng.
Bất chấp các nỗ lực, trong cả cộng đồng khoa học và trong ngành công nghiệp, bóng
LED xanh vẫn là một thách thức trong ba thập kỷ.
Ngày nay, theo cùng nhịp độ phát triển của khoa học, các cuộc nghiên cứu về
LED và các ứng dụng của nó cũng đạt được những tiến bộ rõ rệt. Xu thế nổi bật
nhất hiện nay là nghiên cứu chế tạo LED trắng để ứng dụng vào lĩnh vực chiếu sáng,
dần dần sẽ thay thế các bóng đèn huỳnh quang truyền thống vừa tiêu hao điện năng
lớn, vừa có thời gian sử dụng ngắn hơn LED.
1.1 Đèn LED trong giao thông
Trong giao thông, công nghệ LED tỏ ra vượt trội trong việc thỏa mãn tiêu chí
tiết kiệm điện năng, mỹ quan, dễ điều khiển và bảo vệ môi trường.
Tại Mỹ, nếu 50% việc chiếu sáng hiện nay được thay thế bằng cách chiếu
sáng bằng LED, nước Mỹ vẫn được chiếu sáng như vậy nhưng bớt đi được 41 GW.
Còn ở Đài Loan đã thay hơn 690.000 đèn giao thông trong một dự án tiết
kiệm đủ điện năng để cung cấp cho hơn 60.000 hộ dân. Theo Cục Năng lượng Đài
Loan: “Đèn giao thông LED không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn an toàn hơn vì
chúng sáng hơn và dễ nhìn thấy hơn.”
1.2. Đèn LED trong chiếu sáng và trang trí ở các tòa nhà lớn.
Tuy chi phí lắp đặt ban đầu của đèn LED cao hơn so với các loại đèn khác
nhưng khoản tiết kiệm điện năng đem lại còn nhiều hơn chi phí bỏ ra nên nhiều nơi
trên thế giới đã có kế hoạch thay thế đèn chiếu sáng bằng đèn LED.
Chuỗi nhà hàng của Chilê (gồm 827 nhà hàng) công bố kế hoạch sử dụng
125.000 bóng đèn LED, giúp tiết kiệm một khoản chi phí khổng lồ, khoảng 3,7 triệu
USD/năm và trở thành đơn vị sử dụng LED lớn nhất tại Mỹ từ trước đến nay.
Tòa nhà chọc trời Torre Agbar (Agbar tower - tháp Agbar) ở quảng trường
Glòries Catalanes thuộc thành phố Barcelona, Tây Ban Nha có hệ thống chiếu sáng
về đêm bao gồm 4.500 đèn LED được điều khiển bởi hệ thống máy tính tự động,
cho phép chiếu sáng với hơn 40 màu sắc bằng nhiều hình thù khác nhau.
1.3. Đèn LED dùng trong trang trí nội thất
Luận văn tốt nghiệp HDKH: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 4
Đèn LED còn dùng để làm cho nội thất vừa có vẻ đẹp vừa huyền bí, vừa hiện
đại với các thiết bị nội thất như bàn ghế, gường, bồn tắm… Ánh sáng nhiều màu
của đèn LED sẽ được thiết kế phù hợp với tâm trạng, cảm giác của chủ nhân căn
phòng và mục đích sử dụng.
1.4. Đèn LED trong y học
Trẻ hóa da bằng đèn LED: Đèn chiếu LED được sử dụng với một bước sóng
phù hợp ánh sáng màu vàng (bước sóng 590 nm), với cường độ thấp tạo ra một
chuỗi tia sáng phát theo xung, được lập trình đặc biệt nhằm tác động kích thích quá
trình trẻ hóa tự nhiên của da, theo công nghệ điều biến quang để điều biến tăng hoặc
giảm hoạt động của các tế bào sống. Khi chiếu vào da, các LED được lập trình sẵn
này sẽ tác động kích thích cơ thể tăng sinh collagen và elastin bên dưới.
Trị vàng da bằng đèn LED: Vàng da sơ sinh - một trong những căn bệnh phổ
biến ở trẻ sơ sinh. Đèn LED cung cấp đủ ánh sáng cần thiết để loại bỏ lượng sắc tố
vàng cam trong máu ở bệnh nhân bị dư thừa sắc tố vàng cam - căn bệnh có thể dẫn
đến các tổn thương nghiêm trọng về não thậm chí tử vong. Liệu pháp dùng đèn
chiếu vàng da là một trong những biện pháp đơn giản và an toàn nhất để điều trị căn
bệnh này.
Điều trị mụn trứng cá bằng kỹ thuật LED: Đèn LED với bước sóng phù hợp,
tạo ra một chuỗi tia sáng phát ra cường độ thấp, được lập trình đặc biệt nhằm tác
động sâu xuống trung bì da, kích thích tăng sinh collagen và elastin, thúc đẩy quá
trình chống viêm da, làm lành da và điều tiết làm giảm nhờn da.
Phát hiện ung thư nhờ đèn LED: Nhóm nghiên cứu từ Hàn Quốc, dẫn đầu là
giáo sư Keon Jae Lee của Bộ Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật (KAIST) đã sử dụng
đèn LED gallium nitride (GaN) tương hợp sinh học để phát hiện ung thư tiền liệt
tuyến. "Chiếc đèn LED tích hợp sinh học đại diện cho một công nghệ mới với tiềm
năng mạnh mẽ để giải quyết các thách thức quan trọng trong sức khỏe con người,
giúp những người mắc bệnh ung thư có thêm lựa chọn khác để điều trị", Giáo sư
John Roger từ Bộ Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật, UIUC nói trên ScienceDaily.
1.5. Đèn LED trong nông nghiệp
Luận văn tốt nghiệp HDKH: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 5
Đặc tính của cây trồng là chỉ hấp thụ một dải phổ ánh sáng nhất định, không
phải hấp thụ toàn dải ánh sáng như ánh sáng trắng. Do đó lá cây sẽ có màu, vì dải
ánh sáng mà lá cây không hấp thụ sẽ phản xạ trở lại môi trường. LED có đặc điểm
là phát ra dải sáng hẹp nên tùy theo loại cây trồng cần hấp thụ dải sáng nào sẽ dùng
loại bóng LED có dải sáng thích hợp để giảm chi phí tiêu thụ năng lượng và giảm
chi phí đầu tư, tăng hiệu suất canh tác tránh lãng phí, thích hợp cho việc canh tác
trong nhà kính, và các sản phẩm nông nghiệp chất lượng cao.
Hệ thống chiếu sáng cung cấp ánh sáng cho cây quan hợp sử dụng ánh sáng
nhân tạo để cây sinh trưởng nên điện năng tiêu thụ là rất lớn. Tuy nhiên, nhờ chiếu
sáng bằng đèn LED, hệ thống sẽ sử dụng 1 lượng điện năng tối thiểu.
1.6. Đèn LED trong quảng cáo
Các bảng hiệu quảng cáo đã có sự phát triển với sự đa dạng về chủng loại
cũng như phong cách. Nổi bật trong số đó là sự xuất hiện của đèn LED được các
nhà quảng cáo rất “trọng dụng”.
1.7. Đèn LED dùng trong báo hiệu hàng không, hàng hải, không lưu
Đặc điểm các loại đèn này là hoạt động chớp tắt liên tục, ánh sáng màu theo
qui định, lắp trên các điểm cao như nóc tòa nhà cao tầng, tháp truyền hình, trạm
phát sóng, cột điện cao áp, trạm truyền tải điện, sân bay và vị trí lắp đặt khó tiếp cận
với nguồn điện lưới mà phải dùng acquy, năng lượng mặt trời.…
Đèn LED là loại đèn thỏa mãn được các yếu tố trên: tuổi thọ cao, giảm chi
phí thay thế, tiêu hao năng lượng ít, dãi màu đa dạng…
1.8. Đèn LED trong ngư nghiệp
Việc sử dụng đèn LED sẽ tiết kiệm được khoảng 80% chi phí nhiên liệu, tăng
sản lượng đánh bắt cá lên khoảng 24,5%, mực lên khoảng 41,6%
Các nghiên cứu trên tàu đánh bắt cá kiếm, người ta thấy lượng năng lượng
được tiết kiệm đạt tới 86,7%. Ngoài ra chất lượng đánh bắt nhờ ánh sáng LED cải
thiện rõ rệt với số lượng cá thu được gia tăng 24,5%. Trên tàu đánh bắt mực, năng
lượng tiết kiệm chỉ ở mức 40,1% và sản lượng mực thu được lại vượt trên 41,6%.
Ánh sáng LED cũng phù hợp hơn với sinh lý cá.
1.9. Công nghệ LED trong thiết bị nghe nhìn
Luận văn tốt nghiệp HDKH: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 6
Màn hình máy tính và ti vi công nghệ LED có ưu điểm vượt trội so với các
công nghệ trước đây (TV Plasma, LCD, ti vi đèn hình ống tia điện tử) vì nó cung
cấp màu sắc tươi sáng, chất lượng cao, hình ảnh cực kỳ sắc nét mà không chiếm
không gian. TV đèn nền LED cũng có chất lượng phát ánh sáng cao bởi vì chúng
sử dụng một đi-ốt phát ánh sáng để tạo ra những hình ảnh siêu sáng.
1.10. Đèn LED với thời trang
Đèn LED có kích thước nhỏ, tiêu hao điện năng ít, sử dụng dòng điện 1 chiều
điện áp thấp, an toàn khi sử dụng nên đã được sử dụng trong cả lĩnh vực thời trang
trong các bộ váy dạ hội, dày, cà vạt, bông hoa tai, mi mắt…
Ngày nay, đèn LED đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của xã hội nhờ
những tính năng ưu việt của nó về tuổi thọ, tiết kiệm điện, có lợi cho sức khỏe…
Tuy nhiên, ở Việt Nam, việc ứng dụng đèn LED vẫn còn rất hạn chế. Nguyên nhân
là do người dân chưa nhận thức đầy đủ về hiệu quả thiết thực mà đèn LED mang
lại. Nguyên nhân khác là là do chi phí đầu tư ban đầu còn khá cao. Vì vậy Chính
phủ cần có cơ chế, chính sách khuyến khích các doanh nghiệp sản xuất đèn LED,
từ đó hạ giá thành sản phẩm; đồng thời tăng cường công tác truyên truyền nhằm
nâng cao nhận thức của người dân về những lợi ích thiết thực mà đèn LED mang lại
cho chính họ và cộng đồng.
2. Nhiệm vụ của đề tài.
Qua việc khảo sát ảnh hưởng của kích thước bề mặt điện cực đến các thông số
bán dẫn LED hiện có trên thị trường LED và đề xuất tiêu chuẩn đo kiểm LED.
3.Công việc thực hiện.
- Tổng quan các tài liệu về bán dẫn, LED.
- Tổng quan các tiêu chuẩn về LED của một số hãng chế tạo.
- Thu thập các LED bán trên thị trường Việt Nam.
- Khảo sát các thông số kỹ thuật của LED: Dùng kính hiển vi để khảo sát hình dạng
điện cực, đo đặc tuyến I-V, kiểm tra bước sóng phát xạ, xây dựng hệ đo độ rọi.
- Qua các kết quả khảo sát, nhận xét và đánh giá các thông số kỹ thuật của LED
hiện có so với tiêu chuẩn công bố.
- Đề xuất qui trình kiểm tra và đánh giá LED khi vào thị trường Việt Nam.
Luận văn tốt nghiệp HDKH: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 7
4. Kết quả cần đạt được.
- Nắm vững các kiến thức về cấu trúc và phát quang của LED
- Khảo sát được bề mặt của LED có trên thị trường.
- Đánh giá các thông số kỹ thuật của các LED khảo sát có trên thị trường.
- Hình thành qui trình kiểm tra và đánh giá LED.
5. Phương pháp thực hiện.
- Tham khảo các tài liệu về LED qua các công trình/ đề tài/ bài báo nghiên cứu.
Tham khảo các tiêu chuẩn và qui trình kiểm tra LED của các PTN tại Việt Nam
(Viện đo lường VN, Vinatest, ).
- Sử dụng các thiết bị khảo sát LED tại Trung tâm Nghiên cứu triển khai (Khu Công
nghệ cao Tp.HCM) và Phòng thí nghiệm quang phổ (BM Vật lý ứng dụng, Trường
Đại học KHTN).
- Dùng phần mềm Igro Pro phân tích dữ liệu và vẽ đồ thị.
- So sánh và đánh giá và để xuất xây dựng một trung tâm đo kiểm LED.
6. Tiến độ thực hiện.
Tháng 12/2012: Tiếp cận đề tài.
Tháng 04/2013: Thu thập tài liệu liên quan, viết đề cương.
Tháng 06/2013: Xác định các nội dung thực hiện.
Tháng 11/2013: Thu thập LED và đo bề mặt, đặc tuyến tại SHTP.
Tháng 4-5/2014: Tiến hành các thông số đo khác.
Tháng 06/2014: Viết báo cáo.
Tháng 11/2014: Báo cáo.
Luận văn tốt nghiệp HDKH: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 8
Chương II:
LÝ THUYẾT VỀ PHÁT QUANG CỦA LED
2.1. Cấu trúc và nguyên lý phát quang
2.1.1. Cơ chế phát xạ
Theo lý thuyết vật chất, bán dẫn có hai mức năng lượng: Mức hoá trị và mức
dẫn điện. Do đó năng lượng của điện tử chia thành 3 vùng: Vùng dẫn điện
(condution band) ,vùng cấm (energy gap) và vùng hoá trị (valence band).
Hình 2.1: Lý thuyết vùng năng lượng với 3 vùng năng lượng của điện tử.
Có 3 quá trình xảy ra giữa 2 vùng năng lượng: Hấp thụ, phát xạ và phát xạ
kích thích.
Hình 2. 2: Các quá trình xảy ra giữa 2 vùng năng lượng.
- Bước sóng do nguồn quang phát ra phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang
E
g
.
g
hc
Eh
[2.1]
Hay
gg
hc 1,24
E E (eV)
[2.2]
Luận văn tốt nghiệp HDKH: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu
HVTH: Nguyễn Thanh Phong Trang 9
Trong đó:
h: hằng số blanck (6,625.10-23 j.s); c: Vận tốc ánh sáng (300.000 km/s);
Eg: bề rộng khe năng lượng (eV); v: tần số phát xạ ra (Hz)
- Muốn nguồn quang phát ra ánh sáng có bước sóng dài thì phải dùng chất bán dẫn
có bề rộng khe năng lượng hẹp và ngược lại LED tiếp xúc mặt GaAs.
2.1.2. Hiệu suất phát xạ
Hầu hết các loại LED đều được chế tạo để khi chiếu sáng công suất quangnhỏ
hơn 30 - 60 milliwatts điện [mW]. Khoảng năm 1999, Philips Lumileds giới thiệu
cáp duy trì năng lượng LEDs chỉ sử dụng 1 watt [W]. Chúng tiêu chiếm nhiều không
gian cho chất bán dẫn chết so với chất bán dẫn hoạt động hay điều khiển năng lượng
thoát ra. Chất bán dẫn chết được gắn lên trên thanh kim loại để cho nhiệt thoát ra
khỏi LED.
Một trong những điểm thuận lợi chính của ánh sáng dựa trên LED là tính hiệu
quả cao của nó như là được đo đạt bởi ánh sáng mà nó phát ra trên mỗi đơn vị năng
lượng đi vào. LEDs trắng đã mau chóng đánh dấu và vượt lên cả hiệu quả tiêu chuẩn
của hệ thống siêu ánh sáng. Vào năm 2002, Lumileds đã làm cho LED 5 watt hiện
lên với 1 hiệu suất toả sáng với 18 – 22 lumens/watt [lm/W].
Với sự so sánh này, 1 bóng đèn 60 – 100W nóng sáng bình thường phát ra
khoảng 15 lm/W và tiêu chuẩn ánh sáng huỳnh quang phát ra trên 100 lm/W.
Chúng ta nên lưu ý rằng nếu năng lượng lớn hơn 1 W thì ứng dụng tốt cho
việc ứng dụng chiếu sáng vào thực tế. Dòng điện đặc thù cho các LED này được
cung cấp ban đầu là 350 m. Những đèn LED năng lượng lớn có hiệu quả được công
ty Philip là Lumileds Lighting đòi hỏi là hiệu suất chiếu sáng là 115 lm/W ở 350
mA.
2.1.3. Tái hợp electron và lỗ trống
Bất cứ bán dẫn nào đều có 2 loại hạt tải tự do, electron và lỗ trống. Dưới điều
kiện cân bằng, không có các kích thích bên ngoài như ánh sáng hay dòng điện:
n
o
p
o
=n
i
2
(2.3)
Ở đây n
o
và p
o
lần lượt là mật độ electron và lỗ trống ở điều kiện cân bằng, n
i
nồng độ thực của hạt tải nói chung.
