THIẾT kế và mô PHỎNG HOẠT ĐỘNG của LED BẰNG PHẦN mềm CHUYÊN DỤNG ATLAS (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT
ĐỘNG CỦA LED BẰNG PHẦN MỀM
CHUYÊN DỤNG ATLAS

1


MỤC LỤC

2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

3


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

QW

Quantum Wells

MQW

Multil Quantum Wells

IQE

Internal Quantum Efficiency

LED

Light Emitting Diode

PSD

Power Spectral Density

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/69

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI THẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
HOẠT ĐỘNG CỦA LED BẰNG PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG ATLAS
1.1 Giới thiệu chung
LED (Light-emitting diode – Diode bức xạ ánh sáng ) là một diode, nó chứa một
bán dẫn có pha các tạp chất với nhau để tạo ra lớp tiếp giáp P-N.
Đèn LED có lịch sử lâu đời từ năm 1907 khi nhà vật lý người Anh phát hiện được
các tinh thể carbide silicon có thể tạo ra ánh sáng khi bị dòng điện đi qua. Sau này
công nghệ LED được nhà khoa học Oleg Losev phát minh ra ở Nga vào năm 1920.
Bóng đèn LED đã được giới thiệu mang tính thương mại đầu tiên ở tại Mỹ năm

1962. Kể từ đó công nghệ đèn LED được gắn liền với sự phát triển công nghệ chiếu
nền trong những chiếc TV, và sau này được mở rộng ra thêm dành cho các lĩnh vực
khác.
Ngành công nghệ LED đã phát triển ngày càng mạnh mẽ. Những tính chất riêng có
đã quy định đặc thù của công nghệ đèn LED và tạo nên những ưu điểm khiến LED
có thể hơn các công nghệ chiếu sáng trước đây. Khả năng tiêu thụ điện năng của
LED thấp hơn so với các ánh sáng bình thường. So với bóng đèn CFL và bóng đèn
dây tóc, đèn LED có hiệu quả gấp 4 lần so với bóng đèn huỳnh quang, tiết kiệm
được chi phí, so với đèn chiếu thông thường. Thân thiện với môi trường, không có
tia cực tím, tia hồng ngoại. Giảm thiểu tối đa chì cho các mối nối hàn. Nhiệt độ làm
việc cao hơn môi trường chỉ từ 5 đến 8 độ. Thấp hơn đèn huỳnh quang khoảng 13
đến 25 độ. Tuổi thọ đèn LED vượt quá 50.000 giờ.
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 và 3mm.
Bằng cách sử dụng LED, ảnh hưởng từ các chiếu sáng gây ô nhiễm có thể hạn chế.
Do yêu cầu công suất thấp, đèn LED có thể được hỗ trợ nhờ năng lượng mặt trời.
Trong tương lai xa, có thể LED sẽ thay thế cho tất cả bóng huỳnh quang và sợi đốt.
Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/69

Công nghệ LED đã có bước nhảy vọt trong ứng dụng vào thị trường dân dụng và
công nghiệp một cách rộng rãi. Chiếu sáng dân dụng, lĩnh vực trang trí nội thất hiện
đại và cổ điển, trang trí ngoại thất, cảnh, sân vườn… Chiếu sáng công nghiệp
Chính vì những lí do trên nên em đã chọn đề tài THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
HOẠT ĐỘNG CỦA LED BẰNG PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG ATLAS để

tìm hiểu và nghiên cứu phát triển.
1.2 Mục đích của đề tài
Mục đích của Đồ án tốt nghiệp bao gồm những nội dung chính sau:
-

Tìm hiểu tổng quan về LED bán dẫn.

-

Tìm hiểu phần mềm mô phỏng các linh kiện quang điện tử ATLAS và
module LED trong phần mềm.

-

Mô phỏng hoạt động của LED với các thông số:
+ Chia lưới cấu trúc theo dạng chữ nhật và dạng trụ.
+ Cấu trúc vùng hoạt động của LED với các thông số khác nhau.

-

So sánh đặc tính ngõ ra của LED và so sánh các LED khác.

CHƯƠNG 2.

LÝ THUYẾT VỀ LED

1.1 Giới thiệu chung về chất bán dẫn
1.1.1 Chất bán dẫn
Chất bán dẫn là chất bán dẫn có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và
chất cách điện. Chất bán dẫn ở trạng thái bình thường được hoạt động như một chất

cách điện. Gọi là chất bán dẫn bởi vì nó có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó,
hoặc không dẫn điện ở một điều kiện khác. Tính dẫn điện của chất bán dẫn có thể
thay đổi khi có tạp chất, những tạp chất loại khác nhau và nồng độ khác có thể tạo
tính dẫn điện khác nhau. Trường hợp hai chất bán dẫn khác được gắn với nhau, nó
tạo ra một lớp tiếp xúc. Các tính chất của các hạt mang điện như electron, các ion và
Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/69

lỗ trống điện tử trong lớp tiếp xúc này là cơ sở tạo nên diode, bóng bán dẫn và các
thiết bị điện tử hiện đại ngày nay.
1.1.2 Bán dẫn loại P-N
Các tạp chất pha tạp làm thay đổi đáng kể tính chất này của chất bán dẫn. Nếu
chúng ta pha tạp chất bằng các nguyên tố nhóm III và tạo ra nhiều lỗ trống hơn
trong chất bán dẫn người ta gọi là chất bán dẫn loại P, và ngược lại nếu pha tạp bằng
nguyên tố nhóm V tạo ra nhiều electron chuyển động tự do hơn trong chất bán dẫn
người ta gọi là chất bán dẫn loại N.
Những chất silicon, germani và các hợp chất của nhóm III, V được sử dụng rộng rãi
nhất làm chất bán dẫn trong các linh kiện điện tử. Khi kết hợp hai lớp bán dẫn P-N
với nhau dẫn đến việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc của hai lớp P-N.

Hình 2-1: Mối nối P-N phẳng chế tạo bằng kỹ thuật Epitaxi [1]

Khi mối nối lớp P-N được tạo thành, các lỗ trống trong vùng của lớp P khuếch tán
lớp N và các điện tử trong vùng của lớp N khuếch tán sang vùng của lớp P. Trong
khi di chuyển, các điện tử và lỗ trống có thể tái hợp với nhau. Cho nên có sự xuất
hiện của một vùng ở hai bên mối nối trong đó chỉ có những ion âm của những

Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/69

nguyên tử nhận trong vùng P và những ion dương của nguyên tử cho trong vùng N.
Các ion dương và âm này tạo ra một điện trường E chống lại sự khuếch tán của các
hạt điện. Ta có trạng thái cân bằng nhiệt, vùng này được coi như là vùng có những
ion cố định, hạt điện không di chuyển. Vùng này được gọi là vùng nghèo điện tích,
tương ứng với điện trường E, ta có một điện thế V 0 ở hai bên mặt nối, V 0 được gọi
là rào điện thế.

Hình 2-2: Rào điện thế tại mối nối [1]

Ta có thể phân cực mối nối của hai lớp P-N theo hai cách:
• Tác dụng một hiệu điện thế giữa hai cực của nối sao cho điện thế vùng P lớn
hơn vùng N một trị số V. Trường hợp này ta nói nối P-N được phân cực
thuận (Forward Bias).
Khi chưa được phân cực, mối nối ta có một rào điện thế V 0. Khi phân cực thuận
bằng hiệu điện thế V thì rào điện thế giảm một lượng V và trở thành V B = V0-V, do
đó nối P-N mất thăng bằng.

Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/69

Hình 2-3: Hướng di chuyển dòng điện phân cực thuận trong lớp P-N [1]

Lỗ trống khuếch tán từ vùng P sang vùng N tạo ra dòng điện Ip. Điện tử khuếch tán
từ vùng N sang vùng P tạo ra dòng điện In. Dòng điện I qua nối P-N là : I=Ip+In
• Nếu điện thế vùng N lớn hơn điện thế vùng P, ta nói nối P-N được phân cưc
nghịch (Reverse Bias).

Hình 2-4: Rào điện thế phân cực thuận tại mối nối [1]

Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/69

Hình 2-5: Hướng di chuyển dòng điện phân cực ngịch trong lớp P-N [1]

Khi nối P-N được phân cực nghịch, rào điện thế tăng một lượng V. Lỗ trống và điện
tử không thể khuếch tán ngang qua mối nối. Tuy nhiên, dưới tác dụng của nhiệt,
một số ít điện tử và lỗ trống được sinh ra trong vùng hiếm tạo ra một dòng điện có
chiều từ vùng N sang vùng P. Vì điện tử và lỗ trống sinh ra ít nên dòng điện ngược
rất nhỏ, thường chừng vài chục µA hay nhỏ hơn.
1.1.3 Dải năng lượng trong chất bán dẫn
Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng
lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián
đoạn. Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các
khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng
và sẽ có ba vùng chính, đó là:

• Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng mà điện tử không linh động và bị liên
kết mạnh với nguyên tử, là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng
lượng.
• Vùng dẫn (Conduction band): Đây là vùng có mức năng lượng cao nhất, điện
tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn và nó là vùng mà các hạt điện tử sẽ di chuyển
linh động, nghĩa là khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn thì sẽ có khả năng dẫn
điện. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/69

• Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, ở
dây không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng
cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng
cấm. Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng
vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm.

Hình 2-6: Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn [2]

1.2 Giới thiệu về Diode bán dẫn
1.1.4 Giới thiệu chung về diode bán dẫn
Diode bán dẫn là một loại linh kiện bán dẫn rất phổ biến và nguyên lý của nó là chỉ
cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại. Có rất
nhiều loại diode bán dẫn hiện nay, như diode chỉnh lưu, Zener, LED. Tất cả đề có
nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với bán dẫn loại N. Được
nối với hai chân ra là anode và cathoe. Nó là linh kiện bán dẫn đầu tiên, loại sử
dụng phổ biến nhất hiện nay, là bán dẫn loại P-N.

1.1.5 Nguyên lý hoạt động
Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép
với khối bán dẫn N thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang
Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/69

khối N. Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử từ khối N chuyển sang. Kết quả
là khối P tích điện âm trong khi khối N tích điện dương.
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng
tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử
trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng.

Hình 2-7: Điện áp tiếp xúc hình thành [3]

Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện
áp tiếp xúc (Utx). Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối n đến khối p
nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2
khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại
điện áp tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc
ở trạng thái cân bằng khoảng 0.7 V đối với diode làm bằng bán dẫn Si và khoảng
0.3 V đối với diode làm bằng bán dẫn Ge.
Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình
tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa. Vì vậy vùng
biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là
Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/69

vùng nghèo. Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằng
bởi điện áp bên ngoài. Đây là cốt lõi hoạt động của diode.

Hình 2-8: Diode phân cực thuận P-N [3]

Nếu lắp diode phân cực thuận, sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống không bị
ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt.

Hình 2-9: Diode phân cực nghịch P-N [3]

Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các
điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt điện tự
do. Cho nên ta thấy diode chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một
hướng nhất định. Diode chỉ dẫn điện theo một chiều từ Anode sang Cathode.Muốn
có dòng điện qua diode theo chiều từ nơi có điện áp cao đến nơi có điện áp thấp,
cần phải đặt ở Anode một điện thế cao hơn ở Cathode. Khi đó ta có Uac > 0 và
Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/69

ngược chiều với điện áp tiếp xúc. Như vậy muốn có dòng điện qua diode thì điện
trường do Uac sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là: Uac >Utx. Khi đó

một phần của điện áp Uac dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6 V),
phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua diode. Khi Uac > 0, ta nói diode phân
cực thuận và dòng điện qua diode lúc đó gọi là dòng điện. Dòng điện thuận có chiều
từ anode sang cathode.
Khi Uac đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì diode trở nên dẫn điện rất tốt, tức là
điện trở của diode lúc đó rất thấp. Do vậy phần điện áp để tạo ra dòng điện thuận
thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng với Utx. Bình thường
Utx chỉ cần 0.6 V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0.1 V đến 0.5 V tùy theo
dòng thuận vài chục mA hay lớn đến vài Ampere. Như vậy giá trị của Uac đủ để có
dòng qua diode khoảng 0.6 V đến 1.1 V. Ngưỡng 0.6 V là ngưỡng diode bắt đầu dẫn
và khi Uac = 0.7 V thì dòng qua Diode khoảng vài chục mA.

Hình 2-10: Đặc tuyến Volt-Ampere của môt diode bán dẫn lý tưởng [3]

Đặc tuyến Volt-Ampere của Diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện qua diode
theo điện áp Uac đặt vào nó. Có thể chia đặc tuyến này thành hai giai đoạn:
Giai đoạn ứng với Uac = 0.7 V > 0 là khi dòng áp diode phân cực thuận
Giai đoạn ứng với Uac = 0.7 V< 0 là khi dòng áp diode phân cực nghịch
2.1 Giới thiệu chung về LED
LED (Light-emitting diode - diode bức xạ ánh sáng) Bản chất của LED là một
diode, nó chứa một bán dẫn có pha các tạp chất với nhau để tạo ra một lớp tiếp giáp
Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/69

P-N, bán dẫn loại P chứ lỗ trống, bán dẫn loại N chứa electron, dòng điện di chuyển
từ Anode sang Cathode, khi eclectron lấp đầy các lỗ trống nó sinh ra bức xạ ánh

sáng, các bước sóng phát ra có mày khác nhau tùy thuộc vào tạp chất bán dẫn. LED
phân thành ba loại chủ yếu theo công suất: cỡ nhỏ, cỡ trung bình, cỡ lớn.

Hình 2-11: Các lại LED công suất thấp và trung bình

LED hoạt động theo công nghệ bán dẫn. Hoạt động của LED tương tự với nhiều
loại diode bán dẫn. Khối bán dẫn loại P chứa nhiều loại lỗ trống tự do mang điện
tích dương nên khi ghép với cực N thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động
khuyếch tán sang cực N. Cùng lúc cực P lại nhận thêm các điện tử từ cực N chuyển
sang. Cực P tích điện âm và cực N tích điện dương. Ở biên giới hai bên mặt tiếp
giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu
hường kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể
giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng.
Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát
khác nhau. Mức năng lượng của LED hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng
của các nguyên tử chất bán dẫn. LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn
diode thông thường, trong khoảng 1,5 V đến 3 V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở
LED thì không cao. Do đó LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra.
1.3 Cấu tạo bóng đèn LED

Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/69

Đèn led đã đang được sử dụng ngày một nhiều và hiệu quả mang lại thật đáng ngạc
nhiên vì khả năng tiết kiệm năng lượng. Một bóng đèn LED gồm có các bộ phận
chính gồm: thứ nhất phần tử phát sáng, thứ hai bộ nguồn, thứ ba mạch in tỏa nhiệt,

cuối cùng là vỏ.

Hình 2-12: Cấu tạo cơ bản của bóng đèn LED [5]

Đèn led công suất cỡ nhỏ tiêu thụ dòng điện từ 2 mA cho đến 20 mA điện áp đặt
trên chíp từ 1.5 V đến 3 V, phù hợp với hiển thị trạng thái của máy, chiếu sáng cục
bộ.
Đèn led công suất cỡ trung thì ứng dụng chủ yếu dùng trong biển báo, đèn chiếu
sáng khẩn cấp, đèn chiếu hậu ô-tô, chúng tiêu thụ dòng điện cỡ 100 mA.
Đèn led dải công suất công suất lớn hay HPLED tiêu thụ dòng điện vài trăm mA
đến vài Ampe. Đèn led HPLED thường dùng để thay đèn chiếu sáng trong nhà,
ngoài trời.
1.4 Cơ chế hoạt động của LED
Xét chuyển tiếp lớp P-N ở trạng thái không phân cực tại cả vùng nghèo và vùng
trung hòa. Do hệ đã thiết lập trạng thái cân bằng, do đó số electron tái hợp bằng số

Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/69

electorn phát xạ. Mật độ dòng photon phát ra rất nhỏ, phần lớp bị hấp thụ do đó
không có hiện tượng phát quang.

Hình 2-13: Cơ chế phát quang của LED [9]

Xét chuyển tiếp lớp P-N ở trạng thái phân cực thuận. Tại vùng hiếm do hiện tượng
khuếch tán và phun hạt dẫn. Nồng độ hạt dẫn dư tại vùng hiếm tăng đột ngột, để

thiết lập lại cân bằng, các hạt electron và lỗ trống tái hợp theo cơ chế tự phát và phát
ra các photon. Do tác dụng của điện áp thuận đặt vào lớp chuyển tiếp, vùng hiếm
luôn ở trạng thái thừa hạt dẫn, do đó mật độ dòng photon phát ra từ vùng hiếm luôn
được duy trì tạo thành chùm sáng thoát ra khỏi lớp chuyển tiếp.
Trong trường hợp chuyển tiếp lớp P-N ở trạng thái phân cực ngược. Dòng ngược là
dòng của hạt dẫn thiểu số rất nhỏ dẫn tới mật độ photon phát ra rất nhỏ, phần lớn bị
hấp thụ trở lại do đó không có ánh sáng phát ra. Từ đó ta suy ra, điện áp thuận đặt
vào LED sẽ tạo ra hiện tượng phu hạt dẫn qua lớp chuyển tiếp, qua đó làm tăng
nồng độ hạt dẫn dư, sự tăng nồng độ hạt dẫn dư làm xuất hiện sự tái hợp bức xạ để
trở về trạng thái cân bằng.
Cơ chế hoạt động của LED chủ yếu dựa trên phát xạ tự phát của ánh sáng gây ra do
sự tái kết hợp phát xạ của diode. Hiện tượng này thường được biết là điện phát
quang. Số lượng tái kết hợp phát xạ và vùng phát xạ trong cấu trúc tùy thuộc vào
chất bán dẫn và phương pháp chế tạo linh kiện bán dẫn. Trong trường hợp này,
mặc dù sự tái kết hợp có thể xảy ra trên toàn cấu trúc của diode vì hạt tải có
Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/69

khuynh hướng khuếch tán xa khỏi vùng tiếp họp, phần lớn ánh sáng phát ra từ vùng
tiếp hợp của P-N diode.
Phát xạ tự phát xảy ra khi hạt electrons từ băng dẫn EC di chuyển đến tái kết hợp
với lỗ trống ở băng hóa trị EV. Trong khi đó, sự hấp thụ là kết quả đạt được khi hạt
electrons nhảy từ băng hóa trị lên đến băng dẫn,để lại lỗ trống nơi băng hóa trị EV.
Còn phát xạ kích thích là do sự kích thích bởi một lượng năng lượng khác.

Hình 2-14: Mô hình tổng quát biểu hiện các hiện tượng phát xạ tự phát, hấp thụ và phát xạ

kích thích [6]

Phát xạ tự phát diễn tả một quy trình nơi mà hạt electrons từ một trạng thái kích
thích di chuyển xuống trạng thái ổn định. Năng lượng của photon sinh ra bởi quá
trình này được định nghĩa như là sự khác biệt năng lượng giữa trạng thái kích thích
E2 và trạng thái ổn định E1

Hình 2-15: Phát xạ tự phát [6]
Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/69

1.5 Cấu trúc giếng lượng tử
Giếng lượng tử (Quantum wells -QW) đã và đang trở thành kỹ thuật được coi là rất
quan trọng trong lãnh vực vi điện tử và quang điện tử một phần lớn là nhờ những ưu
thế chưa từng có trước đây trong kỹ nghệ chế tạo màng mỏng, như kiểm soát rất
đích xác chiều dày tới mức nanometers, phân giới giữa các màng mỏng, và thành
phần các chất và pha tạp chất.

Hình 2-16: Cấu tạo của lớp giao P-N LED [7]

Cấu tạo của lớp giao P-N LED với giếng điện tử dùng trong vùng hoạt động. Bởi vì
vật nền saphia không dẫn điện, hai điện cực của LEDs phải nằm cùng một phía về
hướng đối diện với vật nền.
1.1.6 Kỹ thuật Bandgap
Các giếng lượng tử cũng giống như cái giếng trong đó các electron là nước giếng. .
Một cách để thực hiện điều này là dùng cấu trúc không đồng chất đôi, nơi mà chất

bán dẫn có vùng cấm năng lượng hẹp được kẹp giữa hai lớp bán dẫn có vùng cấm
rộng hơn. Hiệu suất lượng tử nội bộ có thể được cải thiện nếu hạt tải bị kiềm chế,
làm tăng thêm xác suất tái kết hợp phát xạ. Hạt tải luôn luôn thích trạng thái năng
lượng thấp cho nên hạt tải sẽ tập trung ở vùng giữa và cho ra nhiều cặp electronsholes sẵn sàng tham gia vào quy trình tái kết hợp phát xạ.

Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/69

Hình 2-17: Sơ đồ năng lượng của giếng lượng tử Gan/Ingan/Gan với hạt electron và tái tổ
hợp bức xạ [7]

Vì chiều dài bước sóng phóng ra tùy thuộc vào bandgap của chất bán dẫn, cho nên
có thể thấy nhiều nghiên cứu chú tâm vào kỹ thuật điều chỉnh để đạt được
bandgap mong muốn. Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật biến đổi năng lượng vùng
cấm. Kỹ thuật biến đổi năng lượng vùng cấm là quy trình tạo chất bán dẫn với đặc
tính điện và quang khác nhau bằng cách thay đổi chiếu dày màng mỏng, thành phần
của hợp chất trong các chất bán dẫn.
1.1.7 Kỹ thuật biến đổi nămg lượng vùng cấm
Vì chiều dài bước sóng phóng ra tùy thuộc vào bandgap của chất bán dẫn, nhiều
nghiên cứu chú tâm vào kỹ thuật điều chỉnh để đạt được bandgap mong muốn. Kỹ
thuật này được gọi là kỹ thuật biến đổi năng lượng vùng cấm. Nó là quy trình tạo
chất bán dẫn với đặc tính điện và quang khác nhau bằng cách thay đổi chiếu dày
màng mỏng, thành phần của hợp chất trong các chất bán dẫn. Khái niệm về kiềm
chế lượng tử đã dẫn đến hiệu quả quantum sizes trong giếng lượng tử. Trong cấu
tạo nơi chất bán dẫn có bandgap hẹp hơn như GaAs được đặt kèm giữa chất bán dẫn
có bandgap rộng hơn như AlGaAs, sự kiềm chế đạt được do độ bất liện tục về năng

lương ở vùng phân giới giữa hai chất bán dẫn, đưa đến sự biến đổi giữa vùng dẫn và
vùng hóa trị.
Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/69

1.6 Cấu trúc nhiều giếng lượng tử
Nhiều giếng lượng tử (Multi Quantum Well – MQW) có những ưu điểm như tự do
trong việc thiết kế cho nhiều loại bán dẫn khác nhau, có hiệu xuất phát sáng cao

Hình 2-18: LED với MQW [8]

Chất bán dẫn trong cấu trúc LED có bandgap thẳng và có nhiều giếng lượng tử. Hạt
electron đa số rơi vào các giếng lượng tử và tái kết hợp phát xạ, phát sinh ra photon
và phát sáng. Giếng lượng tử dùng để bẫy hạt electron và lỗ trống để tăng độ kết
hợp của electron và lỗ trống với nhau.

Hình 2-19: Ánh sáng ra của LED tăng lên theo với số lượng sử dụng QW [8]

Ánh sáng phát ra của LED tăng lên theo với số giếng lượng tử sử dụng trong Led,
thường thì sử dụng từ 3 đến 5 giếng lượng tử. Vì số lượng quá nhiều thì sẽ không
hiệu quả với việc đưa đủ các electron vào các giếng cuối. Bước sóng ánh sáng có
thể điều chỉnh bởi trạng thái năng lượng giới hạn lượng tử được cho trước.

Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/69

Hình 2-20: Cấu tạo của LED với nhiều giếng lượng tử [7]

Cấu tạo của LED với nhiều giếng lượng tử, tường chắn Mg doped GaN được dùng
để gia tăng cường độ phát, độ ổn định nhiệt, hiệu suất lượng tử nội bộ của LED. Sự
cải thiện về công suất đầu ra là do sự gia tăng về lượng lỗ trống tiêm nhập vào các
lớp trong giếng lượng tử với tường chắn Mg-doped. Giếng lượng tử trong này gồm
giếng lượng tử InGaN và tường chắn lượng tử GaN.
1.7 Cơ chế phát quang của LED
1.8 Phân loại đèn LED thông dụng
1.1.8 Đèn LED thu nhỏ
Đèn tín hiệu nằm trên điện thoại di động, tivi, điều khiển từ xa và máy ảnh kỹ thuật
số, chúng sử dụng đèn LED thu nhỏ để tạo ra chùm ánh sáng tầm xa nhỏ và hiệu
quả. Chúng tương thích để sử dụng trong các bảng mạch khác nhau.

Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 24/69

Hình 2-21: LED thu nhỏ [10]

1.1.9 Đèn LED downlight
Là sản phẩm đèn sử dụng nhiều trong nhà ở và văn phòng. Chúng có thiết kế
chuyên nghiệp thường được gắn trên trần nhà và có khả năng tăng giảm độ sáng.

Hình 2-22: LED downlight [10]

1.1.10 Đèn LED chiếu điểm
Đèn LED chiếu với độ sáng cao và tuổi thọ lớn. Đèn LED chiếu điểm thường
được sử dụng cho các công trình dân dụng hoặc showroom lớn nhỏ.

Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED
Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 25/69

Hình 2-23: LED chiếu điểm [10]

1.1.11 Đèn LED tuýp
Đèn LED tuýp mỏng và ngắn hơn so với đèn tuýp huỳnh quang. Nó dễ lắp đặt
hơn và không sản sinh nhiều nhiệt. Nó rất hữu ích để sử dụng trong văn phòng,
phòng hội thảo lớn và thậm chí cả trong nhà. Nó thân thiện với môi trường và có
tuổi thọ dài hơn nhiều so với đèn huỳnh quang bình thường. Hơn nữa, nó không tỏa
bất kỳ tia UV nào.

Hình 2-24: Đèn LED tuýp [10]

1.1.12 Đèn LED sân khấu
Đèn LED sân khấu chủ yếu có ba biến thể khác nhau là hộp PAR, striplights và
moving head.

Thiết kế và mô phỏng hoạt động của LED

Bằng phầm mềm chuyên dụng ATLAS