Nghiên cứu chế tạo led trắng từ các chấm lượng tử cdse luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA VẬT LÝ
____________________

PHẠM THỊ NGỌC TÂM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LED TRẮNG
TỪ CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Vinh - 2011

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA VẬT LÝ
____________________

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LED TRẮNG
TỪ CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe

CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ CHẤT RẮN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Giáo viên hướng dẫn
: TS. Nguyễn
Quảng
Sinh viên thực hiện : Phạm Thị Ngọc Tâm
Lớp

: 48B - Vật lý

Vinh - 2011

2

Hồng


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỐT PHÁT ÁNH SÁNG TRẮNG.................4
1.1. Tổng quan về điốt phát quang (LED).......................................................4
1.1.1. Tính chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp PN.......................................4
1.1.2. Ứng dụng của chuyển tiếp PN trong LED...................................7
1.1.3. Các tham số đặc trưng của LED..................................................8
1.1.4. Ứng dụng của LED ...................................................................10
1.2. Nguyên tắc chế tạo LED trắng từ LED đơn sắc......................................11
1.3. Ưu điểm của điốt phát ánh sáng trắng (WLED).....................................13
1.4. Các vật liệu dùng để chế tạo LED...........................................................15
1.5. Kết luận chương 1...................................................................................17
Chương 2. ỨNG DỤNG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe
TRONG CHẾ TẠO LED TRẮNG...........................................18
2.1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn................................................................18
2.2. Lý thuyết về sự phát xạ của photon bán dẫn...........................................20
2.3. Giới thiệu về chấm lượng tử ..................................................................24
2.3.1. Một số hiệu ứng đặc biệt của vật liệu kích thước nano mét......24
2.3.2. Tính chất phát quang của các chấm lượng tử............................25
2.4. Chấm lượng tử CdSe...............................................................................25
2.4.1. Giới thiệu về chất bán dẫn CdSe................................................25

2.4.2. Vài nét về lịch sử xuất hiện chấm lượng tử CdSe.....................26
2.4.3. Chế tạo chấm lượng tử CdSe từ CdO........................................26
2.4.4. Cấu trúc của chấm lượng tử CdSe.............................................27
2.4.5. Tính chất phát xạ quang của chấm lượng tử CdSe....................28
2.5. Ứng dụng của chấm lượng tử CdSe vào chế tạo LED trắng..................29
2.6. Mô hình cấu trúc LED trắng mới...........................................................32
2.7. Kết luận chương 2..................................................................................35
KẾT LUẬN..................................................................................................36
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................37

3


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh hiệu quả sử dụng đèn LED với đèn huỳnh quang.............14
Bảng 1.2. Một số vật liệu chế tạo LED với màu sắc và bước sóng phát xạ
tương ứng…………………………………………….................16
Bảng 2.1. Bề rộng vùng cấm ∆Eg của một số hợp chất AIIBVI........................19
Bảng 2.2. Bước sóng và độ rộng năng lượng vùng cấm.................................21
Bảng 2.3. Mối liên hệ giữa kích thước và bước sóng..............................34
Bảng 2.4. Liên hệ giữa kích thước, bước sóng và màu sắc phát xạ của CdSe......36

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phân cực cho lớp chuyển tiếp PN...................................................5
Hình 1.2. Đường đặc trưng V-A của lớp chuyển tiếp PN...............................6
Hình 1.3. Cấu trúc của LED...........................................................................7
Hình 1.4. Mô hình cấu trúc của LED..............................................................7

Hình 1.5. Hình ảnh một số loại LED thông thường.......................................10
Hình 1.6. Ứng dụng của LED trong trang trí và giao thông...........................11
Hình 1.7. Nguyên lý trộn ba màu để tạo thành ánh sáng trắng.......................12
Hình 1.8. Cấu trúc và nguyên lý phát xạ của LED trắng từ phốt pho............12
Hình 1.9. Ứng dụng của LED trong thắp sáng...............................................14
Hình 2.1. Cơ chế của sự phát xạ photon bán dẫn...........................................20
Hình 2.2. Bề rộng vùng cấm ở trạng thái khối và hạt nano............................23
Hình 2.3. Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử CdSe từ CdO....................................27
Hình 2.4. Phổ nhiễu xạ tia X của CdSe chế tạo tại 2400C và 3000C..............28
Hình 2.5. Màu sắc phát xạ của CdSe phụ thuộc vào kích thước của nó.........29
Hình 2.6. Sự phụ thuộc của cường độ vào bước sóng phát xạ.......................31
Hình 2.7. So sánh cường độ phát quang của hai cấu trúc LED trắng
(QDs và YAG)................................................................................31
Hình 2.8. Cấu trúc LED do PolinaO. Annikeeva đề xuất...............................32
Hình 2.9. Mô hình cấu trúc LED trắng trên cơ sở CdSe................................33

5


LỜI CẢM ƠN
Khóa luận được thực hiện tại Trường Đại học Vinh, dưới sự hướng dẫn
của thầy giáo, tiến sĩ Nguyễn Hồng Quảng. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu
sắc tới Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian hoàn thành
khóa luận.
Nhân dịp này tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm
và các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý, Trường Đại học Vinh cù ng
gia đình, bạn bè đã giú p đỡ tá c giả trong suố t thờ i gian họ c tậ p tạ i khoa
Vậ t lý và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành khóa luận này.
Trong quá trình thực hiện khóa luận, mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc
chắn không tránh khỏi sơ suất và hạn chế. Tác giả rất biết ơn và trân trọng

những ý kiến phê bình, đóng góp từ các thầy giáo, cô giáo, các bạn sinh viên
cũng như tất cả các bạn đọc khác.

Vinh, tháng 5 năm 2011
Tác giả

6


MỞ ĐẦU

Điện chiếu sáng thông thường chiếm cỡ 20% điện lượng tiêu thụ
của mỗi nước, một tỷ lệ rất đáng kể [13]. Vì thế, bất kỳ một cải tiến nào
về thiết bị chiếu sáng, từ hiệu suất phát sáng, tiết kiệm điện năng hay kéo
dài tuổi thọ của thiết bị cũng sẽ mang lại lợi ích lớn cho cộng đồng và
quốc gia. Cùng với yêu cầu ngày càng cao về công suất các thiết bị chiếu
sáng, yêu cầu giảm thiểu ô nhiễm cũng như năng lượng tiêu thụ của các
thiết bị đó cũng được đặt ra. Sự ra đời của các thế hệ bóng đèn tiết kiệm
điện năng là để từng bước đáp ứng nhu cầu đó. Đèn huỳnh quang thay thế dần
bóng đèn dây tóc đã giải quyết một phần điện năng dùng cho thắp sáng. Bóng
đèn compact ra đời với nhiều đặc tính ưu việt hơn hẳn các loại đèn trước đó
đã được nhiều người ưa chuộng và nhà nước khuyên dùng nhằm giảm điện
năng tiêu thụ. Mặc dù vậy, việc tìm tòi, phát minh các thiết bị chiếu sáng mới
nhằm cải tiến các tính năng của chúng như tiêu thụ ít điện năng, tuổi thọ được
kéo dài và công suất phát sáng lớn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của công
nghệ chiếu sáng vẫn tiếp tục được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm
nghiên cứu.
Công nghệ chiếu sáng từ điốt phát quang (Light Emiting Diode- LED)
lần đầu tiên được nhà khoa học người Nga Oleg Losve phát minh năm 1927
[8]. Bóng đèn LED được giới thiệu thương mại hóa lần đầu tiên ở Mỹ năm

1962 [8]. Sau đó, Nick Holonyak Jr- được xem là cha đẻ của công nghệ
LED đa sắc - đã hợp tác cùng với M. Geogre Crawford ở trường Đại học
Illinois (Hoa Kỳ) để hoàn thiện hết các màu sắc sẵn có của LED.

7


Năm 1993, lần đầu tiên, LED trắng được công ty hóa chất Nichia của
Nhật nghiên cứu chế tạo thành công. Màu trắng là sự kết hợp màu lam của
InGaN LED và YAG phosphor hiệu quả phát quang 10 lm/W, tuổi thọ
10000 giờ.
Từ những năm 2000 đến nay, nhiều cấu trúc LED trắng được nghiên
cứu và ứng dụng. Tuy nhiên, giá thành của chúng còn đắt. Mặt khác, các
màu cơ bản để tạo thành màu trắng (màu đỏ, màu lục, màu lam) được phát
ra từ các chất khác nhau. Sau một thời gian sử dụng do các chất khác nhau
có hệ số suy giảm màu khác nhau, nên ánh sáng không còn trung thực như
ban đầu nữa.
Với sự ra đời của công nghệ nano, nhiều chất bán dẫn kích thước
nano được nghiên cứu và chế tạo. Đối với các tinh thể bán dẫn nano, bước
sóng phát xạ không chỉ phụ thuộc vào loại vật liệu mà còn phụ thuộc vào
kích thước. Do đó, từ một chất ban đầu, bằng cách thay đổi kích thước phù
hợp, người ta có thể thu được ánh sáng phát xạ với các màu đỏ, màu lục và
lam, từ đó tổng hợp thành ánh sáng trắng.
Sự hấp dẫn của tính chất của các vật liệu nano cùng những tiềm năng
to lớn của LED trắng trong thực tế là động lực khiến tôi chọn đề tài
“Nghiên cứu chế tạo LED trắng từ các chấm lượng tử CdSe” cho khóa
luận tốt nghiệp của mình.
Mục đích của khóa luận là nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động
của LED và LED phát ánh sáng trắng, nghiên cứu được ứng dụng của chấm
lượng tử CdSe trong chế tạo LED trắng.

8


Bằng phương pháp nghiên cứu các tài liệu, bài giảng và các bài báo khoa
học về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của LED, LED trắng dùng bán dẫn kích
thước nano cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn tôi đã
hoàn thành khóa luận.
Ngoài các phần Mở đầu và Kết luận, nội dung chính của khóa luận
được trình bày trong hai chương chính sau đây:
Chương 1, “Tổng quan về điốt phát ánh sáng trắng”, trình bày về
cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các tham số đặc trưng, ứng dụng của LED
đơn sắc. Một số nguyên tắc chế tạo LED trắng từ LED đơn sắc cũng được
mô tả trong chương này. Chương 1 kết thúc với phần trình bày về các vật
liệu chế tạo LED.
Chương 2, “Ứng dụng của chấm lượng tử CdSe trong chế tạo LED
trắng”, trình bày tính chất cơ bản của vật liệu bán dẫn tinh thể nhóm II-VI.
Đặc tính phát xạ quang phụ thuộc vào kích thước của các chấm lượng tử
CdSe được nghiên cứu ứng dụng trong chế tạo LED trắng. Các kết quả
nghiên cứu gần đây của nhiều nhóm tác giả trên thế giới cũng được phân
tích, so sánh, từ đó đưa ra mô hình LED trắng mới.
Phần Kết luận tóm tắt các kết quả chính đã đạt được của đề tài và
hướng phát triển của nó. Khóa luận được kết thúc với danh mục các tài liệu
tham khảo.

9


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỐT PHÁT ÁNH SÁNG TRẮNG

Như phần mở đầu đã giới thiệu, điốt phát quang (LED) có nhiều ứng
dụng trong đời sống và kĩ thuật. Đặc biệt từ khi LED trắng được chế tạo thành
công, LED đã nhanh chóng thâm nhập vào thị trường chiếu sáng. Hiện nay,
xu hướng ở các nước tiên tiến là đẩy mạnh kế hoạch chiếu sáng bằng LED và
hy vọng đến năm 2025 trên 50% đèn chiếu sáng là LED [13]. Để bắt kịp với
xu hướng này, Việt Nam đã có những dự án nghiên cứu phát triển công nghệ
LED và bước đầu đã đưa LED vào chiếu sáng. Chương 1 với tựa đề “Tổng
quan về điốt phát ánh sáng trắng” sẽ trình bày tổng quan về điốt phát quang
như cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các đặc trưng cơ bản của LED cùng một
số nguyên tắc chế tạo LED trắng từ các LED đơn sắc cơ bản. Nguyên tắc lựa
chọn vật liệu chế tạo LED cũng được đưa ra thảo luận ở cuối chương đồng
thời mở ra khả năng ứng dụng của vật liệu nano trong chế tạo LED trắng.

1.1. Tổng quan về điốt phát quang (LED)
1.1.1. Tính chỉnh lưu của chuyển tiếp PN

10


Chuyển tiếp PN được hình thành khi cho mẫu bán dẫn loại p tiếp xúc
công nghệ với mẫu bán dẫn loại n. Lớp tiếp xúc này có đặc tính khác hẳn với
hai vùng bán dẫn P và N. Trong lớp tiếp xúc PN chỉ bao gồm hai khối điện
tích trái dấu là các ion âm bên phía bán dẫn P và ion dương bên phía bán dẫn
N. Đây là các ion cố định, không dẫn điện, do vậy, lớp tiếp xúc PN còn gọi là
vùng điện tích không gian hay vùng nghèo hạt dẫn. Độ dày của lớp tiếp xúc
này cỡ micro mét.
Ta nghiên cứu tính chất dẫn điện của lớp chuyển tiếp PN khi đặt một
hiệu điện thế ngoài vào nó như hình 1.1

Hình 1.1. Phân cực cho lớp chuyển tiếp PN [4]
(a) Phân cực thuận

(b) Phân cực ngược

Trước hết ta xét nguồn điện áp ngoài phân cực ngược cho lớp chuyển
tiếp PN: cực âm đặt vào bán dẫn P, cực dương đặt vào bán dẫn N (Hình 1.1
a). Khi đó, điện trường ngoài E 0 và điện trường tiếp xúc E tx cùng chiều, điện
trường tổng hợp E = Etx + E0 trên miền tiếp xúc rất lớn khiến hàng rào thế
năng ở lớp tiếp xúc được nâng cao lên, do vậy nó ngăn không cho dòng hạt tải
cơ bản qua lớp tiếp xúc. Ở trạng thái này, mặc dù dòng các hạt tải không cơ
bản được gia tốc mạnh nhưng do mật độ của chúng rất nhỏ nên dòng các hạt
không cơ bản nhanh chóng đạt tới giá trị bão hòa và có giá trị rất nhỏ Is.

11


Khi đổi chiều nguồn điện áp ngoài, cực dương được đặt vào bán dẫn P,
cực âm được đặt vào bán dẫn N, ta nói lớp tiếp xúc được phân cực thuận
(Hình 1.1 b). Khi đó, điện trường E 0 và điện trường tiếp xúc E tx ngược chiều,
điện trường tổng hợp E = Etx – E0 < Etx làm hàng rào thế năng giảm xuống,
dòng các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp xúc tăng rất nhanh (theo qui luật
hàm mũ) theo hiệu điện thế ngoài.
Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện qua lớp
tiếp xúc vào hiệu điện thế ngoài được biểu diễn theo Hình 1.2.

Hình 1.2. Đường đặc trưng V-A của lớp chuyển tiếp PN.
Dòng điện qua lớp tiếp xúc được biểu diễn thông qua phương trình:

I = I s (exp

qV
− 1)
kT

trong đó,
Id: Dòng qua lớp chuyển tiếp PN
Is: Dòng điện ngược bão hòa
V: Hiệu điện thế đặt vào lớp tiếp xúc PN
k: Hằng số Boltzmann (k = 1,38x10-23 J/K)
T: Nhiệt độ của lớp tiếp xúc PN (K)

12

(1.1)


q: Giá trị điện tích ( q = 1,6.10-19 C)
Dòng điện ngược bão hòa Is phụ thuộc vào mật độ các hạt tải không cơ
bản np, pn, vào độ dài khuếch tán Ln, Lp và thời gian sống của chúng.
Như vậy, lớp tiếp xúc PN có tính chỉnh lưu, chỉ cho dòng điện đi qua khi
phân cực thuận và dòng điện qua lớp tiếp xúc phụ thuộc vào điện áp ngoài đặt
vào nó.
Chính vì có tính chỉnh lưu này mà lớp tiếp xúc pn được ứng dụng rộng
rãi trong việc chế tạo các linh kiện điện tử. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu LEDđiốt phát quang là một loại điốt bán dẫn hoạt động trong chế độ phân cực
thuận của lớp tiếp xúc pn.
1.1.2. Ứng dụng của chuyển tiếp PN trong LED
LED có cấu tạo giống như một điốt bán dẫn thông thường, gồm bộ
phận chính là tim đèn (còn gọi là LED chip, Hình 1.3). Đó là một lớp chuyển

tiếp PN. Khi phân cực thuận cho LED (cực dương nối với anốt, cực âm nối
với catốt), điện trường trong lớp chuyển tiếp PN có tác dụng “kéo” các điện
tử và lỗ trống di chuyển ngược chiều nhau và tái hợp với nhau trong vùng
chuyển tiếp. Kết quả của mỗi cuộc tái hợp là xuất hiện một photon (Hình 1.4).

Hình 1.3. Cấu trúc của LED

Hình 1.4. Mô hình cấu trúc của LED

13


Những chất bán dẫn có kích thước thông thường có độ rộng vùng cấm
nằm từ 1,6eV đến 3,2eV khi nhận được năng lượng kích thích thì chúng có
thể phát xạ ánh sáng từ màu đỏ đến màu tím. Bước sóng ánh sáng phát ra liên
hệ với độ rộng vùng cấm theo công thức sau:

λ ( µm) =

hc
1,242
=
∆E g ∆E g (eV )

(1.2)

trong đó, h = 6,625.10-34 J.s ; c = 3.108 m/s
Do đó, người ta có thể dùng chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác
nhau để kích thích cho nó phát ra những màu ánh sáng khác nhau. Dựa trên
nguyên lý này chúng ta đã chế tạo ra các đèn LED chỉ thị màu dùng trong

trang trí, các bóng đèn báo của các dụng cụ điện tử.
1.1.3. Các tham số đặc trưng của LED
Các tham số đặc trưng cơ bản của LED gồm: dòng photon nội, dòng
photon ngoại và hiệu suất lượng tử ngoài, công suất, độ nhạy.
1.1.3.1. Dòng photon nội
Để làm tăng cường dòng photon một cách đáng kể, cần phải tạo ra
nhiều điện tử và lỗ trống trong cùng một miền không gian gọi là miền tích
cực. Điều này có thể thực hiện dễ dàng bằng cách đặt vào lớp chuyển tiếp PN
một thế phân cực thuận.
Tốc độ phun (tốc độ bơm) hạt tải điện được tính theo công thức [1]:

R =

i/q
V

trong đó,
i: Cường độ dòng điện qua điốt, q: Điện tích của hạt tải

14

(1.3)


V: Thể tích miền kích hoạt quang nằm trong vùng chuyển tiếp PN
R: Tốc độ phun hạt tải điện

Dòng photon được sinh ra là:

φ =ηi

(1.4)

i
q

với ηi là hiệu suất lượng tử nội, là tỷ số của photon sinh ra và số điện tử được
phun vào chuyển tiếp.[1]
1.1.3.2. Dòng photon ngoại và hiệu suất
Dòng photon ngoài là dòng photon ló ra phía bên ngoài cấu trúc LED,
kí hiệu là φ0 , được tính theo công thức:

φ 0 = η eφ = η eη i

i
q

(
(1.5)

với ηe là hệ số truyền qua toàn phần, biểu thị số phần của dòng photon ló
được ra bên ngoài cấu trúc LED.[1]
Đặt kí hiệu: ηex = ηeηi gọi là hiệu suất lượng tử ngoài, biểu thị tỷ số
của số photon thoát ra ngoài dụng cụ và số hạt tải phun vào trong thời gian 1s.
Công suất quang của LED, kí hiệu là P 0, tỷ lệ với dòng photon ngoài,
được tính như sau: [1]

P0 = hνφ 0 = hνη ex
1.1.3.3. Độ nhạy

15

i
q

(1.6)


Độ nhạy của LED, kí hiệu là ℜ , được định nghĩa là tỷ số của công suất
quang phát và cường độ dòng điện phun,nghĩa là:

P
ℜ= 0
i

(
(1.7)

ℜ đo bằng đơn vị W/A.

Đối với các LED thông thường độ nhạy có giá trị từ 10 đến 50 µW / mA .[1]
1.1.4. Ứng dụng của LED
Đèn LED có ưu việt là trực tiếp cho được màu mong muốn, không cần
lọc, rất tiết kiệm điện. Vì thế, LEDs được sử dụng nhiều trong điện, điện tử,
làm đèn giao thông, đèn chỉ thị , trang trí (Hình 1.5).

Hình 1.5. Hình ảnh một số loại LED thông thường.[13]

Thí dụ trước đây đèn xanh, đèn đỏ, đèn vàng ở nút giao thông bên trong
là một bóng đèn sợi đốt cỡ 140W, bên ngoài là một cái hộp kín có khoét lỗ

tròn đặt kính lọc màu. Bây giờ thay bằng cách các đèn LED trực tiếp cho ra
màu xanh, màu đỏ, màu vàng công suất chỉ 14W, nghĩa là chỉ bằng 1/10 công
suất của đèn sợi đốt. Đèn LED lại dễ dàng bật tắt nhanh, nhiều lần không
chậm chạp và mau hỏng như đèn compăc.

16


Các loại đèn hậu, đèn xi nhan của xe ô tô ở Châu Âu hiện nay trên 80%
là dùng đèn LED[13], rất tiết kiệm xăng, hầu như không phải thay đèn, cả đời
xe chỉ dùng một đời đèn. Tương tự, trang trí ở các show – room người ta dùng
đèn LED màu sắc rực rỡ hơn, rất ít tốn điện hơn và đặc biệt là không nóng.
Ngoài ra, LED được sử dụng nhiều trong các thiết bị điện tử như màn
hình diện thoại, màn hình ti vi,…

Hình1.6. Ứng dụng của
LED trong trang trí và giao thông.
Trên đây, chúng ta đã thấy
những đặc tính ưu việt của LED
cùng khả năng ứng dụng rộng rãi của nó. Nhận thấy tiềm năng to lớn của
LED, người ta đã nghiên cứu các phương pháp chế tạo LED trắng dựa trên
LED đơn sắc đã có, tạo bước ngoặt trong công nghệ chiếu sáng.
1.2. Nguyên tắc chế tạo LED trắng từ LED đơn sắc
Về nguyên tắc, ánh sáng ở mỗi đèn LED phát ra do sự nhảy từ hai mức
năng lượng nhất định ở hai bán dẫn tiếp xúc nhau của đèn LED đó. Vì vậy,
mỗi LED chỉ cho một màu xác định. Không thể tạo ra nhiều mức năng lượng
gần nhau để LED đồng thời phát ra nhiều màu tạo thành màu trắng. Sự thành
công của Shuji Nakamura trong chế tạo đèn LED cho ánh sáng xanh lam rất
sáng vào năm 1993 đã hé mở ra nhiều cách từ LED đơn sắc tạo LED trắng.
Sau đây trình bày một số nguyên tắc đã được sử dụng:

17


Nguyên tắc thứ nhất, điốt phát ánh sáng trắng tạo ra bằng cách kết hợp
ba LED đơn sắc phát xạ các màu đỏ, lục, lam (red, green, blue - RGB) trộn lại
với nhau cho ánh sáng trắng (Hình 1.7).

(a)

(b)

Hình 1.7. (a) Nguyên lý trộn ba màu để tạo thành ánh sáng trắng và
(b): Đèn LED được sử dụng trong trang trí [4]

Nguyên tắc thứ hai, dùng LED màu lam có phủ lớp phôtpho mỏng.
Ánh sáng màu lam do LED phát ra kích thích phôtpho phát ra hai màu đỏ và
lục. Hai màu này cộng với màu lam còn lại sau khi truyền qua lớp phôtpho
cho ra màu trắng, vì đó cũng là tổ hợp ba màu đỏ, lục, lam (RGB).

Hình 1.8. Cấu trúc và nguyên lý phát xạ của LED trắng từ phôtpho. [4]

18


Cũng theo nguyên tắc này có thể dùng LED phát ra tử ngoại, chiếu vào
phôtpho để kích thích phát ra ánh sáng trắng tương tự như ở đèn compact.
Nguyên tắc thứ ba là dùng OLED tức là LED hữu cơ. Chất hữu cơ dễ
tạo ra trong đó những hạt phát ra ánh sáng lục, ánh sáng đỏ và ánh sáng lam.
Tổng hợp ánh sáng phát ra từ ba loại hạt đó cho ra ánh sáng trắng.

Hiện nay, cách dùng LED màu lam có phủ lớp photpho để cho ánh
sáng màu lục và màu đỏ cộng lại thành ánh sáng trắng là đơn giản, phổ cập,
có hiệu quả hơn cả. Hầu hết LED trắng hiện nay đều được chế tạo theo
cách này. [13]
Hiện nay, hiệu suất phát sáng của đèn LED trắng mới xấp xỉ bằng hiệu
suất phát sáng ở đèn huỳnh quang compact nhưng có nhiều ưu việt nổi bật so
với đèn compact. Phần sau trình bày những ưu điểm nổi bật của LED trắng
1.3. Ưu điểm của điốt phát ánh sáng trắng (WLED)
Đèn LED không có sợi đốt nên không lo bị đứt, không có khí bên
trong nên không dễ bị suy thoái, không có điện cực phóng điện nên không
dễ bị hư hỏng.
Tuổi thọ trung bình của đèn LED là 100.000 giờ, hơn mười lần tuổi
thọ của đèn compact. Nói chung tuổi thọ 100.000 giờ có nghĩa là nếu dùng
đèn 24 giờ một ngày, mỗi tuần dùng 7 ngày thì bóng đèn LED có thể dùng 11
năm mới hỏng.[13]
Đèn chỉ có hai điện cực làm việc với điện thế thấp một chiều cỡ dưới
5V, chỉ cần tạo ra được dòng điện nhỏ chạy qua là thắp sáng được đèn. Do đó
sử dụng ít nguy hiểm, dễ dàng sử dụng với những nguồn điện là ăcquy, là
điện tái tạo như pin mặt trời, pin nhiệt điện, thủy điện nhỏ, điện gió… Điện áp

19


nếu bị thay đổi ít nhiều thì đèn sáng ít hay sáng nhiều hơn chứ không dễ bị hư
hỏng, không làm việc được như đèn compact.
Đèn LED trắng có đủ loại công suất đáp ứng được nhiều yêu cầu chiếu
sáng: đèn LED trắng để thắp sáng ở gia đình, ở công xưởng, ở đèn trước của
xe ôtô, đèn ở đầu tàu hoả, thắp sáng đèn đường (Hình 1.9).

Hình 1.9. Ứng dụng của LED trong thắp sáng. [5]

Chiếu sáng từ LED còn tiết kiệm năng lượng điện, giảm bớt chi phí và
bảo vệ môi trường. Tính tiết kiệm dài lâu của việc chiếu sáng bằng LED được
thấy rõ qua bảng so sánh sau.
Bảng 1.1 So sánh hiệu quả sử dụng đèn LED với đèn huỳnh quang. [3]
Đặc trưng

Bộ đèn LED tuýp Đèn HQ T10 Đèn HQ T8

Tuổi thọ(giờ)

50.000

12.000

15.000

Công suất tiêu thụ không tính
ballat(W)

18

40

32

Điện năng tiêu thụ
trong 50.000 giờ (KWh)

900

2000

1.600

Tiền điện (0,12 USD/KWh)

108

240

192

Số đèn sử dụng trong 50.000 giờ

1

4,2

2,5

Giá mua bộ đèn (USD)

50

4,2

3,3

20

Tổng chi phí (USD)

158

282

225

Với nhiều ưu việt của mình, LED trắng đang dần dần thay thế các loại
đèn sợi đốt. Hiện nay, xu hướng ở các nước tiên tiến là đẩy mạnh kế hoạch
chiếu sáng bằng LED và hy vọng đến năm 2025 trên 50% đèn chiếu sáng là
LED [2]. Với xu hướng đó, ngành khoa học vật liệu cũng không ngừng phát
triển, nghiên cứu các loại vật liệu mới trong chế tạo LED, đặc biệt là ứng
dụng của vật kiệu kích thước nano met. Trước khi tìm hiểu các vật liệu nano
được ứng dụng trong chế tạo LED, phần tiếp theo sẽ trình bày về một số
nguyên tắc lựa chọn vật liệu chế tạo LED và giới thiệu một số vật liệu truyền
thống đã được sử dụng để chế tạo LED.
1.4. Các vật liệu dùng để chế tạo LED
Các LED hoạt động từ vùng tử ngoại gần đến vùng hồng ngoại gần.
Trong vùng hồng ngoại gần, nhiều chất bán dẫn hai thành phần được sử dụng
để làm LED vì có hiệu suất cao do có vùng cấm thẳng, ví dụ như GaSe (ứng
với λg = 0,87 µm ); GaSb ( 1,7 µm ); InP ( 0,92 µm ); InAs ( 3,5µm ); InAb (7,3

µm ). Các hợp chất ba hoặc bốn thành phần có vùng cấm thẳng cũng được
dùng rộng rãi. Các vật liệu này có ưu điểm là có thể thay đổi bước sóng bức
xạ của chúng bằng cách thay đổi thành phần, thí dụ như Al xGa1-xAs phát
quang trong dải sóng từ 0,75 đến 0,87 µm và In1-xGaxAs1-xPy phát ra từ 1,1
đến 1,6 µm Để hoạt động trong vùng tử ngoại và vùng nhìn thấy, một số vật
liệu có vùng cấm xiên cũng được dùng (như GaN, GaP, GaAs 1-x) mặc dù hiệu

suất lượng tử rất thấp. Những vật liệu này thường được pha tạp với một số
nguyên tử tạp thích hợp, chúng đóng vai trò là những tâm tái hợp để làm tăng
tái hợp bức xạ[1]. Bảng sau đưa ra một số vật liệu bán dẫn thường được sử
dụng trong chế tạo LED.

21


Bảng 1.2. Một số vật liệu chế tạo LED với màu sắc và bước sóng phát xạ
tương ứng.[14]
Màu sắc
Hồng ngoại
Đỏ
Da cam
Vàng
Lục
Lam
Tím
Tia cực tím

Bước sóng phát xạ (nm)
λ > 760
610 < λ < 760
590 < λ < 610
570 < λ < 590
500 < λ < 570
450 < λ < 500
400 < λ < 450
λ < 400

Vật liệu
GaAs, AlGaAs
AlGaAs, GaAsP, AlGaInP
GaAsP, AlGaInP
GaAsP, AlGaInP, GaN
GaP, AlGaInP, AlGaP
ZnSe, InGaN,
InGaN
AlN, AlGaN, AlGaInN

Việc sử dụng vật liệu bán dẫn vô cơ có ưu điểm là tuổi thọ LEDs
cao và màu sắc ổn định.
Tuy nhiên, việc chế tạo vật liệu bán dẫn vô cơ đạt yêu cầu công nghệ
còn gặp nhiều khó khăn nên giá thành đắt, cộng với LEDs vô cơ là nguồn
sáng gần như song song, do vậy dùng trong chiếu sáng gặp nhiều hạn chế.
Ngoài ra, LED còn được chế tạo từ các vật liệu hữu cơ (OLEDs). Các
LED được chế tạo từ những chất hữu cơ có giá thành rẻ, dễ chế tạo ánh sáng
có góc chiếu rộng, chất lượng màu tốt, nhưng tuổi thọ không bền, màu dễ
thay đổi theo thời gian.
Nhằm khắc phục những hạn chế của hai loại vật liệu bán dẫn trên,
người ta thường kết hợp cả hai loại vật liệu tạo thành vật liệu lai giữa bán dẫn
vô cơ và bán dẫn hữu cơ. Vật liệu lai có được cả ưu điểm của LEDs và
OLEDs. Chúng được xem là vật liệu mới nhất hiện nay vì cho màu sắc ổn
định, chất lượng màu tốt, tuổi thọ cao, giá thành rẻ [6].
1.5. Kết luận chương 1

22


Trong chương 1, chúng tôi đã trình bày một số kiến thức tổng quát về

điốt phát quang (LED) và điốt phát ánh sáng trắng (WLED) như cấu tạo,
nguyên lý hoạt động và các đặc trưng cơ bản và các lĩnh vực ứng dụng của
LED. Một số nguyên tắc tạo LED phát ánh sáng trắng từ các LED đơn sắc cơ
bản và các vật liệu truyền thống thường được sử dụng để chế tạo LED cũng
đã được thảo luận ở cuối chương.
Với xu thế phát triển của khoa học vật liệu, gần đây các vật liệu có cấu
trúc nano, điển hình là CdSe đang được quan tâm, nghiên cứu. Trong chương
tiếp theo, chúng tôi sẽ tìm hiểu về khả năng ứng dụng của các chấm lượng tử
CdSe trong chế tạo điốt phát ánh sáng trắng.

23


CHƯƠNG 2

ỨNG DỤNG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe
TRONG CHẾ TẠO LED TRẮNG

Trong vật lý bán dẫn, các chấm lượng tử với những đặc tính độc đáp
đang ngày càng được quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Tuy nhiên, khái niệm “chấm lượng tử” còn khá mới mẻ đối với nhiều sinh
viên. Chương 2 của khóa luận với tựa đề “Ứng dụng của chấm lượng tử CdSe
trong chế tạo LED trắng” sẽ đưa ra một số thông tin nhất định về các chấm
lượng tử nói chung và chấm lượng tử CdSe nói riêng.
Trước hết, chương này sẽ trình bày tổng quan về vật liệu bán dẫn, trong
đó nhấn mạnh vật liệu bán dẫn nhóm II-VI để bạn đọc có được cái nhìn tổng
quan về vật liệu bán dẫn vô cơ kích thước thông thường. Phần trọng tâm của
chương này trình bày tính chất phát quang và ứng dụng của chấm lượng tử
CdSe trong chế tạo LED trắng. Một số cấu trúc LED trắng đã dùng cũng được
giới thiệu. Phần cuối chương này đưa ra cấu trúc LED mới dựa trên các chấm

lượng tử CdSe.

2.1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn
Các vật liệu rắn có thể được chia làm ba loại dựa vào tính chất dẫn điện
của chúng, đó là kim loại, bán dẫn và điện môi. Bán dẫn là những vật liệu có
độ dẫn điện nằm trung gian giữa độ dẫn điện của kim loại và điện môi. Điện
trở suất của kim loại nằm trong khoảng 10-6 Ωm đến 10-4 Ωm . Điện trở suất của

24


điện môi nằm trong khoảng 1010 Ωm đến 1018 Ωm . Như vậy, chất bán dẫn có
điện trở suất nằm trong khoảng 10-4 Ωm đến 1010 Ωm .
Dựa vào thành phần cấu tạo, chất bán dẫn được chia thành bán dẫn
nguyên tố và bán dẫn hợp chất. Bán dẫn nguyên tố (đơn chất) là bán dẫn chỉ
gồm một loại nguyên tố hóa học. Bán dẫn đơn chất quan trọng nhất là Silic
(Si) và Gecmany (Ge), trong đó bán dẫn Ge đã được sử dụng rộng rãi từ
những năm trước 1970. Đến nay Ge vẫn được sử dụng vào một số công nghệ
đặc biệt để chế tạo đetecto siêu sạch hay để làm hợp kim SiGe. Bán dẫn Si
thường được dùng để chế tạo các linh kiện bán dẫn rời rạc và các loại vi mạch
từ mật độ thấp đến mật độ siêu cao. Ngoài ra, SiGe còn là các vật liệu tối ưu
để chế tạo các linh kiện thu tín hiệu quang.
Bán dẫn hợp chất là chất bán dẫn mà ở trạng thái tinh khiết, chúng gồm
từ hai nguyên tố hóa học trở lên, trong số này, có hai nhóm được quan tâm
nhiều hơn cả. Thứ nhất là các bán dẫn được tạo thành từ các nguyên tố nhóm
III (Al, Ga, In,…) kết hợp với các nguyên tố nhóm V (P, As, Sb,… ) trong
bảng hệ thống tuần hoàn hóa học. Ví dụ như, GaAs, AlInP, AlGaSb,
GaInAsP...[3]. Trong số đó, GaAs là vật liệu quan trọng nhất. Nó là cơ sở của
các kinh kiện và các vi mạch hoạt động ở tốc độ cao, các linh kiện quang điện
tử và các vi mạch quang điện tử trong tương lai; Nhóm thứ hai được tạo thành

từ các nguyên tố nhóm II (Zn, C, Hg, Cd) kết hợp với các nguyên tố nhóm VI
(Se, S, Te) (gọi là nhóm AIIBVI). Ví dụ như, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe,…
Những hợp chất loại này thường dùng làm thiết bị phát quang. Bảng 2.1 mô
tả các bán dẫn hợp chất nhóm AIIBVI với độ rộng vùng cấm tương ứng.
Bảng 2.1. Bề rộng vùng cấm ∆E g của một số hợp chất AIIBVI .[3]
Bán dẫn ZnS ZnSe ZnTe CdS
Eg (eV)

3,7

2,6

2,1

CdSe CdTe

2,4

1,7

25

1,5

HgS
2,0

HgSe HgTe
0,6

<0