KHẢO SÁT VÀ XÂY DỰNG HỆ ĐO ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẾN MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LED

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

KHẢO SÁT VÀ XÂY DỰNG HỆ ĐO
ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG
ĐẾN MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LED

---------------------------------TP HỒ CHÍ MINH – 2013


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong bộ môn Vật lý
Điện tử. Trong quá trình học chuyên ngành, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình từ
các thầy cô trong bộ môn. Các thầy, cô đã cung cấp cho tôi những kiến thức cơ bản và
chuyên sâu, chuẩn bị cho tôi những nền tảng kiến thức vững chắc. Qua đó, tôi đã thực
hiện đề tài này khá tốt và là tiền đề cho các nghiên cứu sau này.
Tôi xin trân trọng gửi lời cám ơn sâu sắc đến ThS Vũ Thế Đảng đã hết sức tạo
điều kiện, hướng dẫn, cung cấp tài liệu và các thiết bị để tôi có thể thực hiện tốt khóa
luận này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn gia đình tôi đã lo lắng, ủng hộ và động viên tôi. Cảm ơn
những người bạn đã gắn bó và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong
thời gian tôi thực hiện đề tài này.
Xin chúc trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh, đặc biệt là bộ môn
Vật lý Điện tử, khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật luôn được sự quan tâm đầu tư của nhà
nước, nhận được nhiều sự quan tâm để bộ môn ngày càng phát triển hơn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 07 năm 2013
Sinh viên thực hiện


MỤC LỤC

3


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
LED

Light Emitting Diode

MQW

Multiple Quantum Well

SSL

Solid State Lighting

ANSI

American National Standards Institute

IES

Illuminating Engineering Society

NEMA

National Eleectrical Manufacturers Association

ANSLG

American National Standard Lighting Group

IESNA

Illuminating Engineering Society of North America

CCT

Correlated Color Temperature

CRI

Color Rendering Index

4


DANH SÁCH CÁC HÌNH

5


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Bước sóng màu đơn sắc bổ sung λ1 và λ2 của màu đơn sắc bổ sung theo tiêu

chuẩn CIE về nguồn sáng D65 và theo tiêu chuẩn CIE 1964.........................................28
Bảng 3.2. Nhiệt độ màu của một số nguồn sáng............................................................30
Bảng 3.3. Chỉ số hoàn màu và nhiệt độ màu của một số nguồn sáng............................33
Bảng 5.1. Kết quả đo LED trắng với dòng 350mA........................................................55
Bảng 5.2. Kết quả đo LED trắng với dòng 600mA........................................................57
Bảng 5.3. Kết quả đo LED lục với dòng 350mA...........................................................57
Bảng 5.4. Kết quả đo LED lục với dòng 600mA...........................................................57
Bảng 5.5. Kết quả đo LED đỏ với dòng 350mA............................................................55
Bảng 5.6. Kết quả đo LED đỏ với dòng 600mA............................................................57
Bảng 5.7. Kết quả đo LED vàng với dòng 350mA........................................................57
Bảng 5.8. Kết quả đo LED vàng với dòng 600mA........................................................57

6


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ bán dẫn, công nghiệp vật liệu ngày càng phát triển không ngừng và
đang dần khẳng định tầm quan trọng trong đời sống hiện nay. Con người với trình độ
tri thức của mình đã mở ra những giới hạn mới, khám phá ra những loại vật liệu mới,
những kỹ thuật, công nghệ mới và áp dụng lên chúng để tạo ra những sản phẩm có hàm
lượng tri thức và tính ứng dụng cao trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực. Một trong số đó
phải kể đến sự ra đời và phát triển của các LED khả kiến.
Công nghệ đẻn LED đã và đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là trong lĩnh vực
quảng cáo và chiếu sáng. Đèn LED có nhiều ưu điểm hơn các loại đèn thông thường
hiệu suất phát sáng cao, có nhiều màu sắc đẹp, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, chịu

được nắng mưa, va đập nhẹ. Do đó, có thể thấy được trong tương lai không xa, đèn
LED sẽ là loại đèn thay thế cho các loại đèn phổ thông, hứa hẹn một thị trường lớn.
Nhưng cũng như các loại đèn khác, hoạt động của LED cũng chịu ảnh hưởng bởi
nhiều nhân tố tác động như dòng điện, môi trường. Vậy làm sao để biết được trong
điều kiện như thế nào thì đèn LED hoạt động tối ưu với hiệu suất và thời gian sử dụng
lâu nhất.
Để nghiên cứu các tính chất của LED như các đặc tính về điện và quang học. Trong
phạm vi đề tài này, tập trung nghiên cứu về nguyên lý phát quang, các đại lượng vật lý
về quang học, thiết kế mô hình sử dụng trong đo lường các tính chất của LED, đo thực
tế các đại lượng vật lý quang học, so sánh, rút ra nhận xét về các ảnh hưởng của các
yếu tố lên hoạt động của LED, từ đó đưa ra các hướng dẫn trong việc sử dụng.

7


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
1.1. Mục tiêu
Tìm hiểu về lịch sử phát triển, ứng dụng và tương lai phát triển của LED (Light
Emitting Diode). Giới thiệu một số tiêu chuẩn trong đo kiểm ánh sáng và các hệ đo sử
dụng trong các tiêu chuẩn đó.
Hiểu về cơ chế phát quang của diode phát quang, cùng với các quá trình tái hợp
và các phương trình vật lý liên quan. Nắm được nguyên lý cảm nhận ánh sáng của mắt
người và đặc tính quang và điện của LED
Đo lường đặc tuyến của một số loại LED trên thị trường.
Khảo sát sự thay đổi các yếu tố môi trường, cách sử dụng ảnh hưởng đến hoạt
động, hiệu suất và tuổi thọ của LED.

Thiết kế hệ đo sử dụng trong đo kiểm LED và các loại đèn khác.
1.2. Nội dung
Chương 1: Giới thiệu về đề tài. Giới thiệu nội dung cũng như mục tiêu nghiên
cứu và các phương pháp để thực hiện, kết quả đạt được và kế hoạch thực hiện đề tài.
Chương 2: Tổng quan. Tìm hiểu về LED trong đó nói về lịch sử của các LED
SiC, LED xanh dương, xanh lá dựa trên bán dẫn GaInN, LED phát ra ánh sáng thấy
được dùng AlGaInP. Các ứng dụng của LED trong đời sống hằng ngày và tương lai
trong ngành công nghiệp chế tạo LED. Chương này cũng đưa ra một số tiêu chuẩn
quốc tế trong đo kiểm ánh sáng đèn LED và các hệ đo sử dụng cho các tiêu chuẩn này.
Chương 3: Lý thuyết về LED. Trình bày cấu trúc của LED thường và LED có cấu
trúc MQW (Multiple Quantum Well). Nói về lý thuyết tái hợp nói về sự tái hợp bức xạ
của electron và lỗ trống, tái hợp bức xạ với mức kích thích thấp, tái hợp bức xạ ở mức
kích thích cao cùng với kiến thức về giếng lượng tử và các phương trình vật lý liên
quan. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hoạt động và tuổi thọ của LED. Trình bày
quang phổ ánh sáng tự nhiên, nguyên lý nhận ánh sáng của mắt người, đặc tính điện và
quang của LED.

8


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

Chương 4: Thiết kế hệ đo. Chương này trình bày cấu tạo của hệ đo, các linh kiện
sử dụng. Trình bày các phần mềm điều khiển và hiển thị giá trị đo được.
Chương 5: Kết quả. Đưa ra các kết quả đo về đặc tuyến của một số loại LED.
Ảnh hưởng của yếu tố môi trường lên hoạt động của LED.
Chương 6: Kết luận. Rút ra kết từ nghiên cứu và đưa ra một số giải pháp sử dụng
LED hiệu quả.

1.3. Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu lý thuyết về diode phát quang qua các tài liệu.
Thiết kế hệ đo để đo được ảnh hưởng của các điều kiện lên hoạt động của LED.
1.4. Những kết quả chính đạt được
Lý thuyết về phát quang của LED.
Đặc tuyến của một số loại đèn LED trên thị trường.
Các thông số về màu sắc và quang học của LED.
Các thay đổi của LED khi hoạt động ở những điều kiện khác nhau.
1.5. Kế hoạch thực hiện
Đề tài được thực hiện từ tháng 1/2013 đến tháng 6/2013 với kế hoạch như sau:
- Tìm hiểu lý thuyết về các tiêu chuẩn đo kiểm quang học, linh kiện bán dẫn và
diode phát quang: 1/2013.
- Đo các đặc tuyến bán dẫn của LED: 2/1013.
- Thiết kế hệ đo dùng để đo kiểm LED: 3-4/2013.
- Thực hiện đo các thông số của LED ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường:
5/2013.
- Soạn thảo hoàn chỉnh đề tài: 6/2013.

9


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan về LED
2.1.1. Lịch sử phát triển của LED
Vào năm 1907, Henry Joseph Round ở phòng thí nghiệm Marconi phát hiện ra
hiện tượng biến điện thành ánh sáng đầu tiên bằng cách dùng 1 dây dẫn và tinh thể

Silic carbide (SiC). Nhà nghiên cứu người Nga Oleg Vladimirovich Losev, công bố lần
đầu tiên đã tạo ra LED trên tạp chí khoa học Nga, Đức và Anh. Tuy nhiên LED không
được thực tế hóa trong những thập kỷ kế tiếp.
Năm 1955, Rubin Braunstein từ Radio Corporation of America, phát hiện có bức
xạ hồng ngoại trên hợp chất GaAs và các hợp chất khác. Braunstein đã thí nghiệm trên
các điốt GaSb, GaAs, indium phosphide (InP), và silicon-germanium (SiGe) ở nhiệt độ
phòng và ở 77 độ K.
Năm 1961, các nhà thí nghiệm người Mỹ Robert Biard và Gary Pittman, làm
việc ở Texas Instruments, cũng phát hiện GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện
chạy qua và đã nhận bằng phát minh LED hồng ngoại.

10


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

Hình 2.1. Lịch sử phát triển của đèn LED
Năm 1962 LED đầu tiên phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy là loại LED đỏ, do
Nick Holonyak, Jr. phát hiện, khi đang làm việc cho cho công ty General Electric.
Holonyak đã báo cáo hiện tượng này trong lá thư anh gởi cho tạp chí Applied Physics
Letters vào ngày 01-12-1962. Holonyak được xem là cha đẻ của LED.
M. George Craford, một sinh viên tốt nghiệp trước Holonyak, đã phát minh ra
LED vàng đầu tiên và đã cải thiện thêm độ sáng lên 10 lần cho LED đỏ cũng như LED
đỏ-cam vào năm 1972.
Vào năm 1976, T. P. Pearsall lần đầu tiên đã tạo ra LED công suất cao, hiệu suất
cao cho cáp quang nhờ vào việc sáng chế ra vật liệu bán dẫn mới có khả năng phát ra
sóng điện từ phù hợp cho cáp quang.
LED xanh da trời làm từ InGaN được phát minh đầu tiên do Shuji Nakamura của

công ty Nichia Corporation vào năm 1994. Hai kỹ thuật mấu chốt là cấy GaN trên lớp
nền Saphia và tạo lớp bán dẫn P từ GaN (do Isamu Akasaki và H. Amano phát triển ở
Nagoya).
Năm 1995, Alberto Barbieri tại phòng thí nghiệm ĐH Cardiff đã nghiên cứu và
giới thiệu LED “tiếp xúc trong suốt” có công suất, hiệu suất cao bằng cách dùng Indi
thiếc ôxít (indium tin oxide). Sự ra đời của LED xanh da trời cộng với LED hiệu suất
cao nhanh chóng dẫn đến sự ra đời LED trắng đầu tiên dùng Y3Al5O12:Ce. Hợp chất
này có tên khác là YAG, là lớp phủ để trộn ánh sáng vàng với ánh sáng xanh da trời
cho ra ánh sáng trắng. Năm 2006, Nakamura được trao giải thưởng “công nghệ thiên
niên kỷ” cho phát minh này.
Hiệu suất, công suất của LED tăng theo hàm mũ, gấp đôi sau mỗi 3 năm kể từ
năm 1960, tương tự như định luật Moore. Sự phát triển LED nói chung đã đóng góp

11


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

cho sự phát triển song song giữa các công nghệ bán dẫn, khoa học vật liệu và quang
học. Người ta đã đặt tên nó là định luật Haitz, lấy từ tên của tiến sĩ Roland Haitz.
Năm 2001 và 2002, quy trình cấy GaN lên chất nền SiO2 được hiện thực. Tháng 1
năm 2012, LED công suất lớn theo công nghệ này được thương mại hóa.

12


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

2.1.2. Ứng dụng của đèn LED
Với các ưu điểm như ánh sáng lớn, độ bền cao và ít tiêu tốn điện năng lượng,
LED được ứng dụng rộng rãi trên các lĩnh vực: bảng quảng cáo ngoài trời , bảng quang
báo, hệ thống đèn giao thông, biển chỉ dẫn, và các sản phẩm khác như bảng chạy chữ
điện tử, bảng hệ thống giờ… Việc sử dụng rộng rãi thiết bị chiếu sáng bằng loại đèn
này có thể giúp tiết kiệm được nhiều năng lượng.

Hình 2.2. Ứng dụng của LED đơn sắc trong đời sống
Hiện tại đèn LED trắng có tuổi thọ tới 50.000 giờ sử dụng, gấp 50 lần so với bóng
đèn 60W. Điều này nghĩa là bóng đèn LED có thể thắp sáng liên tục trong vòng 6 năm.

Hình 2.3. LED trắng ứng dụng chiếu sáng

13


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

Điểm hấp dẫn ở đèn LED là 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… với nhiều mầu sắc phong phú như:
đỏ, xanh lá, xanh da trời, mầu hổ phách…
2.1.3. Quá trình thương mại hóa
LED đầu tiên được thương mại hóa để thay thế cho đèn chỉ thị làm bằng đèn dây
tóc, neon và màn hình bảy đoạn. Đầu tiên là các thiết bị mắc tiền trong phòng thí
nghiệm. Sau đó là tivi, rađiô, điện thoại, máy tính và thậm chí là đồng hồ. Đến năm
1968, LED cực kì mắc, cỡ 200 đôla Mỹ mà lại ít ứng dụng. Năm 1968, Công ty

Monsanto là công ty đầu tiên sản xuất LED hàng loạt dùng gali asen phốt pho
(GaAsP). Năm này, Hewlett Packard cũng giới thiệu LED làm từ GaAsP do công ty
Monsanto cung cấp. Các LED này là LED đỏ và có thấu kính nhựa đi kèm trên từng
chữ số để có thể dùng trong màn hình máy tính và chỉ đủ sáng để làm đèn chỉ thị. Thời
gian sau đó thì LED vàng, cam.. cũng trở nên phổ biến. Năm 1970, LED thật sự đã
được thương mại hóa thành công khi công ty Fairchild Semiconductor bán ra thị
trường 5 xu Mỹ cho mỗi bóng LED. Công ty này đã sản xuất bằng quy trình Planar do
tiến sĩ Jean Hoerni phát minh khi làm việc cho họ. Sự kết hợp giữa quy trình Planar và
các phương pháp đóng gói giúp nhóm trưởng Thomas Brandt của công ty Fairchild đã
có được khả năng giảm thiểu giá thành cần thiết. Các phương pháp này vẫn được các
công ty dùng để sản xuất LED hiện nay.
Ngành công nghệ vật liệu cho LED đã phát triển ngày càng mạnh mẽ. Công suất
ngày càng tăng nhưng hiệu suất, độ tin cậy vẫn đạt được mức có thể chấp nhận. Việc
phát minh và phát triển LED trắng công suất cao nhanh chóng thay thế đèn dây tóc,
đèn huỳnh quang. LED ngày nay đa số là cỡ 5mm T1¾ và 3mm T1. Tuy nhiên, xu
hướng công suất ngày càng lớn nên các kiểu đóng gói khác cũng được phát triển để
đáp ứng yêu cầu tỏa nhiệt. LED công suất cao ngày nay cấu trúc bên trong rất phức tạp
nhưng bề ngoài thì như các LED thời ban đầu.

14


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

2.1.4. Xu thế của tương lai
Trong việc tiết giảm năng lượng, đèn LED vượt lên trên các loại bóng đèn thông
thường và trong vòng 15 đến 20 năm nữa sẽ thay thế các loại đèn khác trong dịch vụ
thắp sáng toàn cầu, hứa hẹn một thị trường thắp sáng khổng lồ gần cả ngàn tỷ USD.

Theo các báo cáo về thị trường thắp sáng toàn cầu, thị trường đèn LED đã đạt
được 3,2 tỷ USD trong năm 2004 và đạt mức 5,6 tỷ USD vào năm 2008. Các con số
này, tuy còn nhỏ so với con số 200 tỷ USD của công nghệ bán dẫn vi mạch trong năm
2005 nhưng công nghệ LED trắng hứa hẹn những đột phá to lớn có thể mang đến một
thị trường lớn hơn thị trường bán dẫn vi mạch truyền thống trong tương lai.

Hình 2.4. Thống kê và dự đoán thị trường LED trong tương lai (Yole Développement)

15


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

Một đặc điểm khác của đèn LED là ít tiêu hao năng lượng và không nóng. Các
loại đèn truyền thống như neon, halogen... đều cần từ 110-220V mới cháy, trong khi
đèn LED trắng chỉ cần từ 3-24V. Tính ít tiêu hao năng lượng khiến đèn LED có thể sử
dụng ở vùng sâu, vùng xa mà không cần nhà máy phát điện công suất cao, ít gây hỏa
hoạn do điện ít bị chập mạch. Đèn LED trắng có thể sử dụng với pin mặt trời, năng
lượng gió.
Thời gian chiếu sáng của đèn LED trắng tới 100.000 giờ, tiêu thụ điện ít hơn 10
lần so với bóng điện thông dụng hiện nay, đó là những ưu thế nổi bật của đèn LED.
2.2. Các tiêu chuẩn đo kiểm LED
Cách đây 6-7 năm, thế giới không có một tiêu chuẩn để đánh giá kĩ thuật chiếu
sáng bằng chất rắn (SSL). Sau đó bộ năng lượng của Mĩ (DOE) đã nhận thấy tầm quan
trọng của kĩ thuật chiếu sáng này nên đã kêu gọi các đại diện của ngành công nghiệp
LED và chiếu sáng truyền thống như ANSI, IES, NEMA… để phát triển những tiêu
chuẩn để đánh giá đèn LED.
2.2.1. ANSI/IES RP-16

Mục đích của tiêu chuẩn này là thiết lập những định nghĩa cho những thiết bị sử
dụng kĩ thuật chiếu sáng bằng chất rắn và cấu tạo của chúng. Quy định chung trong
việc sử dụng các thuật ngữ của phương pháp SSL. Một số thuật ngữ về LED được quy
-

định trong tiêu chuẩn ANSI/IES RP16:
Diode phát quang (LED) – Một thiết bị bán dẫn có tiếp giáp pn, có khả năng phát ra
ánh sáng khi được phân cực thuận. Hiệu suất là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc, vật
liệu sử dụng và dòng kích thích. Có thể phát ra các bước sóng trong vùng cực tím, khả

-

kiến hoặc vùng hồng ngoại.
LED die – Một khối nhỏ của vật liệu bán dẫn mà trên đó có một mạch chức năng được
tích hợp.

16


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

-

Khóa 2009-2013

Nguồn điện – Một biến thế cung cấp điện, pin, hoặc thiết bị khác có khả năng cung cấp
dòng điện, điện thế hoặc năng lượng bên trong tiết diện của nó. Thiết bị không bao

-

gồm bộ điều khiển.
Bộ cấp nguồn – Một thiết bị điện có thể điều khiển dòng điện, điện áp hoặc công suất

-

bên trong tiết diện của nó.
Bộ đèn LED – Một bộ LED chiếu sáng hoàn chỉnh bao gồm một nguồn sáng và bộ
đóng ngắt gắn với nhau với những phần để phân bổ đều ánh sáng và bảo vệ nguồn
sáng. Kết nối nguồn sáng với một mạch điện. Nguồn sáng ở đây có thể là một hàng
LED, một môđun LED, hoặc một bóng đèn LED. Bộ đèn LED thì có khả năng kết nối

-

trực tiếp với một mạch điện.
LED được đóng gói – Một bộ gồm một hoặc nhiều LED dies trong đó gồm có những
dây dẫn kết nối với nhau, có thể có một phần tử quang học và nhiệt độ, cơ học, và bề
mặt điện. Thiết bị không bao gồm nguồn điện, và không thể kết nối trực tiếp được với

-

mạch điện.
Chuỗi LED – Một bộ LED được đóng gói trên một bảng mạch hoặc bề mặt nào đó, có
thể với phần tử quang học và thêm vào phần tử về nhiệt, cơ học, và bề mặt điện. Thiết

-

bị không bao gồm một nguồn điện, và không thể kết nối trực tiếp với bảng mạch.
Modun LED – Một tập hợp các thành phần của một nguồn sáng LED trong đó gồm có

-

một hoặc nhiều đèn LED kết nối với nhau và với nguồn điện.
Bóng đèn LED, không tích hợp – Một bóng đèn với những bóng LED bên trong, không
được tích hợp công tắc hoặc nguồn điện và được thiết kế để kết nối với một bộ đèn

-

LED.
Bóng đèn LED, được tích hợp – một bóng đèn với những bóng LED bên trong, và
được thiết kế để kết nối với mạch điện.

17


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

Hình 2.5. Một số loại đèn LED theo định nghĩa của tiêu chuẩn ANSI/IES RP-16.
2.2.2. ANSI C78.377
Là một tiêu chuẩn được phát triển bởi ANSI, ANSLG, NEMA trong năm 2008 để
chuẩn hóa việc mô tả sắc thái màu của LED và các thiết bị chiếu sáng bằng phương
pháp SSL. Tiêu chuẩn này dựa trên tiêu chuẩn cho ánh sáng huỳnh quang. Nó thiết lập
8 điểm và 8 vùng tương ứng của mỗi điểm đó trên biểu đồ nhiệt độ màu CCT để đánh
giá màu sắc của nguồn sáng. Tiêu chuẩn này đã được thông qua bởi Cree cũng như hầu
hết các tổ chức khác để mô tả màu của sản phẩm LED. 8 điểm và vùng trên biểu đồ
màu CCT được thể hiện trong hình 2.6.

18

Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

Hình 2.6. Các điểm và vùng trên biểu đồ CCT theo tiêu chuẩn ANSI C78.377
2.2.3. IES LM-79-08
Trong năm 2008, IESNA cho xuất bản tiêu chuẩn LM-79-08. Cung cấp những
phương pháp để kiểm tra và đo lường các tiêu chí về điện và quang học các sản phẩm
sử dụng công nghệ chiếu sáng SSL trong đó bao gồm cả LED. Tiêu chuẩn này đo
lường các thông số như tổng quang thông của LED, điện năng, hiệu suất phát quang,
độ kết tủa màu, CCT, CRI, sự phân bố cường độ ánh sáng của LED.
Tiêu chuẩn này cung cấp một cái nhìn qua về các đặc tính hoạt động của LED
trong những điều kiện được quy định, tại những thời điểm trong suốt thời gian sử dụng.
Tiêu chuẩn này không đánh giá về tuổi thọ, những biến đổi về quang thông theo thời
gian sử dụng…

19


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

Hình 2.7. Tiêu chuẩn IES LM-79-08
LM-79-08 được áp dụng cho các sản phẩm đèn LED tích hợp, như bóng đèn LED
và đèn thay thế (những loại LED chỉ cần cấp nguồn để hoạt động). Nó không được áp
dụng đối với các LED được đóng gói, module LED (ở đây có thể hiểu là các loại LED
cần thêm mạch điện và bộ tản nhiệt).
Tiêu chuẩn này thường sử dụng các phương pháp đo như Goniophotometer và

Integrating Sphere.
2.2.4. Một số tiêu chuẩn khác
Ngoài các tiêu chuẩn nêu trên, để đánh giá chất lượng của đèn LED, các tổ chức
còn đưa ra một số tiêu chuẩn khác như IES LM-80-08, IES TM-21-11, IES LM-82-11,
UL8750, LSD-45… các tiêu chuẩn này đánh giá các tiêu chí cụ thể hơn, nhưng cũng
vẫn dựa trên nền tảng của ANSI/IES RP-16, ANSI C78.377, IES LM-79-08.
2.3. Một số hệ đo quang học.
2.3.1. Hệ Goniophotometer
Goniophotometer là một dụng cụ dùng cho việc đo lường ánh sáng được phát ra
từ một vật theo các góc khác nhau. Vì ánh sáng của các nguồn sáng không được phân
bố đều trong không gian

20


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

Hình 2.8. Cấu trúc của hệ Goniophotometer.
Hệ Goniophotometer có độ ổn định cao do nguồn sáng được giữ ở vị trí cố định
so với thiết bị đo nên tránh được sự bất ổn định khi di chuyển các thiết bị đo xung
quanh. Phạm vi hoạt động rất năng động xung quanh nguồn sáng, có thiết kế sử dụng 2
gương phản chiếu và 2 đầu dò cùng lúc.
Goniophotometer được dùng để mô tả đặc điểm phân bố trong không gian của
nguồn sáng. Nó có 1 tấm gương có thể di chuyển xung quanh một ngồn sáng và phản
chiếu lại ánh sáng tới một đầu dò để đo cường độ ánh sáng theo những góc khác nhau.
Goniophotometer có thể được sử dụng để đo được quang thông và hiệu suất,
nhưng không thể đo được các thông số về màu sắc như nhiệt độ màu (CCT) và độ hoàn
màu (CRI).

21


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

Việc sử dụng hệ đo Goniophotometer càng gia tăng trong những năm gần đây
cùng với sự phát triển của đèn LED.
2.3.2. Hệ Integrating Sphere.
Là một hệ đo quang học bao gồm một khối cầu rỗng được phủ một lớp phản
chiếu màu trắng bên trong, có các lỗ nhỏ để đưa các thiết bị đo đạc vào. Khi có một
nguồn sáng bên trong hệ, tia tới của nguồn sáng chiếu vào bất kỳ điểm nào trên bề mặt
bên trong của hệ đều bị phản xạ lại và như vậy ánh sáng được phân bố đều cho tất cả
các điểm. Do đó ảnh hưởng của hướng ban đầu của nguồn sáng được giảm thiểu.
Dựa trên lý thuyết về sự phản chiếu và khuếch tán của ánh sáng (định luật
Lambert Cosine), hệ Integrating Sphere được sử dụng để đo thông lượng mà nguồn
sáng chiếu tới. Tính hiệu quả của một hệ Integrating Sphere được quyết định bởi nhiều
yếu tố trong đó quan trọng nhất là hệ số phản xạ và khuếch tán tự nhiên của lớp phủ bề
mặt bên trong của hệ.

Hình 2.9. Các thành phần của hệ Integrating sphere.

22


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

Hệ Sphere được sử dụng để đo đạc một số nguồn sáng khác nhau và trở thành
một hệ tiêu chuẩn trong trắc quang. Nó có nhiều ưu điểm trong đo kiểm hơn hệ
Goniophotometer.
Integrating Sphere có một số tính năng, bao gồm:
- Khả năng gom ánh sáng từ nguồn sáng bên trong hoặc bên ngoài.
- Không làm thay đổi nguồn sáng.
- Đo lường được laser có công suất lớn.
- Đo lường quang phổ và thông lượng của LED.
- Đo lường tổng hệ số truyền hoặc chỉ hệ số khuếch tán.

23


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Lý thuyết về LED
3.1.1. Cấu trúc của LED

Hình 3.1. Cấu tạo của đèn LED
LED ( Light Emitting Diode) là các diode có khả năng phát ra ánh sáng khả
kiến hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một
khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n. Bán dẫn loại p có tạp chất là các
nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu là lỗ trống, mang điện tích dương. Bán
dẫn loại n có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, dẫn điện chủ yếu là điện tử,
mang điện tích âm. Khi bán dẫn loại p tiếp xúc với bán dẫn loại n thì các lỗ trống có
khuynh hướng chuyển động khuếch tán sán bán dẫn loại n, cùng lúc bán dẫn loại p

nhận them điện tử từ bán dẫn loại n chuyển qua. Do đó bán dẫn loại p tích điện âm
(thiếu lỗ trống và dư điện tử) trong khi đó bán dẫn loại n tích điện dương (thiếu điện tử
và dư lỗ trống).

24


Luận văn tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Vật lý Điện tử

Khóa 2009-2013

Ngoài cấu trúc chuyển tiếp p-n, nhờ sự tiến bộ của công nghệ một số loại LED
còn có thêm một vùng đặc biệt so với các LED thông thường, vùng này có nhiệm vụ
phát xạ các loại bước sóng khác nhau, đó là cấu trúc đa giếng lượng tử (MQW).

Hình 3.2. Cấu trúc MQW của một số LED
3.1.2. Sự tái hợp của lỗ trống và electron
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:
nopo = ni2

(3.1)

Ở đây, n0 và p0 lần lượt là mật độ electron và lỗ trống ở điều kiện cân bằng, n i là
nồng độ thực của hạt tải nói chung. .
Mật độ hạt tải tổng cộng được tính bằng tổng mật độ hạt tải ở trạng thái cân bằng
và mật độ hạt tải thừa
n = no+ Δn và p = po + Δp

(3.2)

Ở đây, Δn và Δp lần lượt là nồng độ electron thừa và lỗ trống thừa.
Biểu đồ của bán dẫn của electron và lỗ trống được thể hiện trong hình 3.3.

25