Vật liệu và linh kiện bán dẫn LED

Nội dung:
 LED là gì?
 Lịch Sử
 Cấu tạo
 Nguyên lý hoạt động
 Công nghệ chế tạo
 Ưu – Nhược điểm
04/05/19

 Ứng dụng


LED là gì?
 LED (Light Emitting Diode- Điốt phát quang) là các diode có khả
năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại.
 Cũng giống như diode, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn
loại p ghép với một khối bán dẫn loại n.


Lịch sử phát triển của công nghệ chiếu sáng
Đèn LED

Phát sáng do phóng điện
qua chất rắn
Phát sáng do phóng điện
trong chất khí

1995

E

Đèn huỳnh quang

Hg+Neon

Đèn sợi đốt

1879

E

Vonfram

UV

L

Cuối thế kỷ XVIII

Tìm ra lửa

L

1938
E

Phát sáng do
nung nóng

N-P

Tạo ánh sáng từ đốt cháy các vật
chất
04/05/19

L


Cấu tạo LED:
 Chip LED .
 Bộ nguồn .
 Mạch in tỏa nhiệt.
 Vỏ .

04/05/19


Chip LED
 Bản chất của LED là một diode, nó chứa một chíp bán
dẫn có pha các tạp chất để tạo ra một tiếp giáp P-N:

 Kênh P chứa lỗ trống
 Kênh N chứa điện tử
 LED phân thành ba loại chính theo dải công suất:
 Cỡ nhỏ
 Cỡ trung bình
 Cỡ lớn
04/05/19


 Đèn LED cỡ nhỏ: tiêu thụ dòng điện từ 2 mA đến 20 mA

điện áp đặt trên chíp từ 1.5V đến 3V, được sử dụng hiển thị
trạng thái của máy, chiếu sáng cục bộ.

 Đèn LED cỡ trung: tiêu thụ dòng điện cỡ 100 mA. Loại
đèn LED này thường sử dụng làm các biển báo, đèn chiếu
hậu ô-tô, đèn chiếu sáng khẩn cấp.

 LED công suất lớn hay HPLED: tiêu thụ dòng điện vài
trăm mA đến vài Ampe, Hiệu suất của HPLED rất cao có
thể lên tới 105 lm/W. Ứng dụng của HPLED là để thay loại
đèn chiếu sáng trong nhà, ngoài trời.
04/05/19


Bộ nguồn cung cấp
 Điện áp nuôi LED là điện áp một chiều: Giá trị phụ thuộc
vào vật liệu bán dẫn và có độ ổn định cao.
 Để sử dụng điện lưới 110, 220V, bắt buộc phải hạ áp và
chuyển đổi sang một chiều.
 Với đèn LED công suất nhỏ bộ nguồn áp kết với một điện
trở hạn dòng cho LED
 Với LED công suất trung bình và lớn cần tạo một nguồn
dòng cho LED.
04/05/19


Mạch in tỏa nhiệt
 Mạch in của bộ đèn:
+ Chất lượng mạch in: chất lượng của mạch in và mối hàn
không tốt dễ gây oxi-hóa đứt mạch in, không tiếp xúc làm cho

đèn không thể phát sáng sau một thời gian sử dụng.
+ Người ta có thể sử dụng mạch in thường, hoặc bằng nhôm,
gốm cho phép tản nhiệt nhanh cho loại LED công suất trung
bình và lớn.
04/05/19


Mạch in tỏa nhiệt
 Bộ phận tản nhiệt:
+ Phần tản nhiệt cho đèn LED được thiết kế nhằm đưa phần
tinh thể phát sáng xuống nhiệt độ thấp nhanh nhất,
+ Bộ phận này đặc biệt quan trọng khi thiết kế đèn LED công
suất lớn, nếu bộ phận tản nhiệt này có kết cấu không phù
hợp thì phần tử LED sẽ nhanh bị già, hiệu suất phát sáng
giảm đáng kể.
04/05/19


Vỏ đèn
 Để đảm bảo cho đèn hoạt động ổn định và bền, vỏ đèn
được chế tạo để có độ chống thấm nước cao, đồng thời
đảm bảo khả năng tỏa nhiệt nhanh chóng.

04/05/19


Ngun lý hoạt động:

Dòng ktán của lỗ
trống

Dòng ktán của
electron

Phân cực thuận (phát sáng)

BDĐ-P

BDĐ-N

Phân cựcĐiện
ngượctrường
(khơng phát sáng)
txúc


E
Electron (vùng dẫn)

Năng lượng phát xạ:
hc/λ = Ec-Ev = Eg
Hole (vùng hóa trị)

04/05/19


 Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng
ánh sáng phát khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau).
 Mức năng lượng (màu sắc 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 điốt thông

thường, trong khoảng 1,5 đến 3V.
 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.

04/05/19


Màu sắc:
LED có thể phát ra ánh sáng nhìn thấy với bước sóng
λ= 390- 770nm, ứng với Eg= 3.18eV- 1.61eV :
Violet

Màu sắc
LED phát ra

~ 3.17eV

Blue

~ 2.73eV

Green

~ 2.52eV

Yellow

~ 2.15eV

Orange

~ 2.08eV

Red

~ 1.62eV

Mức năng
lượng Eg

04/05/19


Al

N

AlN, AlP,AlAs

Ga

P

GaN, GaP, GaAs

In

As

InN, InP, InAs

GaAs

GaP

GaAsP

GaAl

GaAsAl

Màu sắc Bước sóng

Eg (eV)

Vật liệu

Violet

400 < λ < 450

2.76 < ΔV < 4.0

InGaN

Blue

450 < λ < 500

2.48 < ΔV < 3.7

InGaN, ZnSe

Green

500 < λ < 570

1.9 < ΔV < 4.0

InGaN, AlGaInP,

Yellow

570 < λ < 590

2.10 < ΔV < 2.18 AlGaInP, GaAsP, GaP

Orange

590 < λ < 610

2.03 < ΔV < 2.10 GaAsP, AlGaInP, GaP

610 < λ < 760

GaP, AlGaAs, GaAsP,
1.63 < ΔV < 2.03
AlGaInP

04/05/19

Red


LED trắng:
 Do mỗi LED chỉ phát xạ ra một phổ ánh sáng hẹp, nên trên
thực tế không có các LED phát xạ ánh sáng trắng.
 Các LED trắng hoạt động theo nguyên lý trộn ba mầu đỏ
(Red), xanh dương (Green) và xanh lam (Blue).

Nguyên lý trộn ba màu để tạo ánh sáng trắng

04/05/19


Công nghệ chế tạo LED
 Xử lý chính xác các đơn vị có kích thước nano
 Chế tạo các màng bán dẫn thật mỏng trong môi trường thật
sạch để đảm bảo tính năng và tuổi thọ của tim đèn
 Phản ứng tạo thành vật liệu bán dẫn phát sáng phải được
thực hiện trong chân không,
 Thực hiện trong phòng sạch, hơn cả phòng bào chế y dược

Công đoạn này đã đẩy giá LED lên cao

04/05/19


To Be Continued
04/05/19

Công đoạn sản xuất LED :
Phiến có sẵn các chip LED
 Cắt bằng laser
 Tách chip LED tạo thành
con LED riêng lẻ
Hàn con LED lên điện cực
catốt
Hàn dây dẫn điện x 2
Bọc thấu kính nền epoxy
04/05/19


Ưu điểm
 Hiệu quả: tiết kiệm năng lượng, thời gian sửa
chữa, tiền bạc,…
 Hiệu suất phát sáng tăng.
 Màu sắc: đa dạng. ( không cần bộ lọc màu )
 Kích thước: đa dạng, có thể nhỏ hơn 2 mm 2
 Ánh sáng dịu


Ưu điểm
 Tuổi thọ: khoảng 35.000 đến 50.000 giờ .
 Không gây ô nhiễm môi trường.
 Nhiều chủng loại
 Thẩm mỹ cao
 Khả năng chống sốc, độ bền cao.

04/05/19


Nhược điểm
 Chi phí sản xuất cao, dẫn đến giá thành cao.
 Tỏa nhiệt: tỏa nhiệt ở chân đế cần có bộ tản nhiệt.

04/05/19


Ứng dụng
 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.
04/05/19


Ứng dụng của công nghệ LED
Ứng dụng
của LED

Trong nhà

Ngoài trời

Kiến trúc

Nghệ thuật

Không gian
khác


Ứng dụng của công nghệ LED

04/05/19

Phòng khách

Cầu thang