Cách hoạt động của LED

Encyclopedia

Trường dữ liệu: Bách khoa toàn thư

China

Đèn LED hoạt động như thế nào?

Định nghĩa đèn LED

LED, hoặc Điốt phát sáng, được định nghĩa là thiết bị bán dẫn phát ra ánh sáng khi được kích thích điện thông qua quá trình gọi là điện quang.

Cách hoạt động của đèn LED

Giống như điốt thông thường, điốt LED hoạt động khi nó được phân cực thuận. Trong trường hợp này, bán dẫn loại n được pha tạp nhiều hơn so với loại p, tạo thành tiếp giáp p-n. Khi phân cực thuận, rào cản điện vị được giảm và các electron và lỗ trống kết hợp tại lớp suy kiệt (hoặc lớp hoạt động), ánh sáng hoặc photon được phát ra hoặc bức xạ theo mọi hướng. Hình dưới đây cho thấy sự phát sáng do sự kết hợp của cặp electron-lỗ trống khi phân cực thuận.

Sự phát ra photon trong LED được giải thích bằng lý thuyết dải năng lượng của chất rắn, điều này quy định rằng sự phát sáng phụ thuộc vào khoảng cách dải năng lượng của vật liệu là trực tiếp hay gián tiếp. Những vật liệu bán dẫn có khoảng cách dải năng lượng trực tiếp là những vật liệu phát ra photon. Trong vật liệu có khoảng cách dải năng lượng trực tiếp, đáy mức năng lượng của dải dẫn nằm trực tiếp trên đỉnh mức năng lượng cao nhất của dải valence trên biểu đồ Năng lượng so với Động lượng (vector sóng 'k').

Khi electron và lỗ trống tái hợp, năng lượng E = hν tương ứng với khoảng cách năng lượng △ (eV) thoát ra dưới dạng năng lượng ánh sáng hoặc photon, trong đó h là hằng số Planck và ν là tần số ánh sáng.

Khoảng cách dải năng lượng trực tiếp

Vật liệu có khoảng cách dải năng lượng gián tiếp không phát sáng, vì đáy dải dẫn của chúng không đối xứng với đỉnh dải valence, chuyển đổi hầu hết năng lượng thành nhiệt. Ví dụ là Si, Ge, v.v.

Khoảng cách dải năng lượng gián tiếp

Ví dụ về vật liệu có khoảng cách dải năng lượng trực tiếp là Arsenic Gallium (GaAs), một bán dẫn hợp chất được sử dụng trong LED. Các nguyên tử dopant được thêm vào GaAs để tạo ra một loạt màu sắc. Một số vật liệu được sử dụng trong LED bao gồm:

Aluminium Gallium Arsenide(AlGaAs) – hồng ngoại.

Gallium Arsenic Phosphide(GaAsP) – đỏ, cam, vàng.

Aluminium Gallium Phosphide(AlGaP) – xanh lá cây.

Indium gallium nitride (InGaN) – xanh dương, xanh lam, gần UV.

Zinc Selenide(ZnSe) – xanh dương.

Cấu trúc vật lý của LED

LED được cấu trúc sao cho ánh sáng phát ra không bị hấp thụ lại vào vật liệu. Do đó, đảm bảo rằng sự tái hợp electron-lỗ trống xảy ra trên bề mặt.

Hình trên cho thấy hai cách khác nhau để cấu trúc tiếp giáp p-n của LED. Lớp p-type được làm mỏng và được sinh trưởng trên nền n-type. Các điện cực kim loại gắn ở hai bên tiếp giáp p-n phục vụ như các nút cho kết nối điện ngoài. Tiếp giáp p-n của điốt phát sáng được bao bọc trong vỏ trong suốt hình vòm để ánh sáng được phát ra đều đặn theo mọi hướng và phản xạ nội bộ tối thiểu.

Chân lớn của LED đại diện cho điện cực dương hoặc anôt.

Các LED có nhiều hơn 2 chân cũng có sẵn, chẳng hạn như cấu hình 3, 4 và 6 chân để đạt được nhiều màu trong cùng một gói LED. Các màn hình LED gắn bề mặt có sẵn có thể được gắn trên PCBs.

LED thường yêu cầu dòng điện vài chục milliamp và cần trở kháng cao nối tiếp do điện áp rơi phía trước cao từ 1,5 đến 3,5 volt, so với các điốt thông thường.

Đèn LED trắng hoặc bóng đèn LED trắng

Bóng đèn LED, đèn chiếu sáng đường phố đang trở nên rất phổ biến ngày nay nhờ hiệu suất rất cao của LED về lượng ánh sáng phát ra mỗi đơn vị công suất đầu vào (theo milivat), so với bóng đèn sợi đốt. Vì vậy, cho mục đích chiếu sáng chung, ánh sáng trắng được ưa chuộng. Để tạo ra ánh sáng trắng với sự giúp đỡ của LED, hai phương pháp được sử dụng:

Pha trộn ba màu cơ bản RGB để tạo ra ánh sáng trắng. Phương pháp này có hiệu suất lượng tử cao.

Phương pháp khác là phủ một LED màu này với phosphor màu khác để tạo ra ánh sáng trắng. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để sản xuất bóng đèn LED và hệ thống chiếu sáng.

Ứng dụng của LED

Màn hình điện tử như OLED, micro-LED, quantum dots, v.v.