LED – Wikipedia tiếng Việt

LED (viết tắt của light-emitting diode, có nghĩa là diode phát sáng hoặc diode phát quang[7]) 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.

Những phát hiện sơ khai

[sửa|sửa mã nguồn]

Tái tạo lại thí nghiệm của H. J. Round năm 1907, chuyển điện thành ánh sáng bằng 1 sợi dây và tinh thể Si-líc.
Hiện tượng biến điện thành ánh sáng được H. J. Round phát hiện đầu tiên vào năm 1907 ở phòng thí nghiệm Marconi. Ông đã dùng 1 dây dẫn và tinh thể Silicon carbide ( SiC ). Oleg Vladimirovich Losev, nhà nghiên cứu người Nga công bố lần đầu tiên đã tạo ra LED trên tạp chí khoa học Nga, Đức và Anh. Tuy nhiên không có trong thực tiễn hóa trong mấy thập kỷ sau đó. Rubin Braunstein, công ty Radio Corporation of America, phát hiện có bức xạ hồng ngoại trên hợp chất GaAs và những hợp chất khác vào năm 1955. Braunstein đã thí nghiệm trên những diode GaSb, GaAs, indium phosphide ( InP ), và silicon-germanium ( SiGe ) ở nhiệt độ phòng và ở 77 độ K .Năm 1961, những nhà thí nghiệm người Mỹ Robert Biard và Gary Pittman, thao tác 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. [ 8 ]

LED đầu tiên phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy là loại LED đỏ, do Nick Holonyak, Jr. phát hiện, vào năm 1962 khi đang làm việc cho General Electric ở Syracuse, New York.[9] Holonyak đã báo cáo hiện tượng này trong lá thư ông gởi cho tạp chí Applied Physics Letters vào ngày 01-12-1962.[16] Holonyak được xem là cha đẻ của LED.[17] M. George Craford,[18], 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.[19] 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.[20]

Quá trình thương mại hóa[sửa|sửa mã nguồn]

LED đầu tiên được thương mại kinh doanh hóa để sửa chữa thay thế cho đèn thông tư làm bằng đèn dây tóc, neon và màn hình hiển thị bảy đoạn. Đầu tiên là những thiết bị mất tiền trong phòng thí nghiệm. Sau đó là tivi, radio, điện thoại thông minh, máy tính và thậm chí còn là đồng hồ đeo tay. Đến năm 1968, LED cực kỳ đắt, 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 phosphor ( GaAsP ). Năm này, Hewlett Packard cũng trình làng LED làm từ GaAsP do công ty Monsanto phân phối. Các LED này là LED đỏ và có thấu kính nhựa đi kèm trên từng chữ số để hoàn toàn có thể dùng trong màn hình hiển thị máy tính và chỉ đủ sáng để làm đèn thông tư. Thời gian sau đó thì LED vàng, cam .. cũng trở nên phổ cập. Năm 1970, LED thật sự đã được thương mại kinh doanh hóa thành công xuất sắc khi công ty Fairchild Semiconductor bán ra thị trường 5 xu Mỹ cho mỗi bóng LED. Công ty này đã sản xuất bằng quá trình Planar do tiến sỹ Jean Hoerni phát minh khi thao tác cho họ. Sự tích hợp giữa tiến trình Planar và những chiêu thức đóng gói giúp nhóm trưởng Thomas Brandt của công ty Fairchild đã có được năng lực giảm thiểu giá tiền thiết yếu. Các chiêu thức này vẫn được những công ty dùng để sản xuất LED lúc bấy giờ .
màn hình LED của máy tính cầm tay TI-30 (ca. 1978), sử dụng thấu kính để có thể nhìn thấy các chữ số
Ngành công nghệ tiên tiến vật tư cho LED đã tăng trưởng ngày càng can đảm và mạnh mẽ. Công suất ngày càng tăng nhưng hiệu suất, độ an toàn và đáng tin cậy vẫn đạt được mức hoàn toàn có thể gật đầu. Việc phát minh và tăng trưởng LED trắng hiệu suất cao nhanh gọn thay thế sửa chữa đèn dây tóc, đèn huỳnh quang. LED ngày này hầu hết là cỡ 5 mm T1¾ và 3 mm T1. Tuy nhiên, khuynh hướng hiệu suất ngày càng lớn nên những kiểu đóng gói khác cũng được tăng trưởng để phân phối nhu yếu tỏa nhiệt. LED hiệu suất cao ngày này cấu trúc bên trong rất phức tạp nhưng vẻ bên ngoài thì như những LED thời bắt đầu .

LED xanh da trời và LED trắng[sửa|sửa mã nguồn]

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 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 Y
3Al
5O
12: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, hiệu suất của LED tăng theo hàm mũ, gấp đôi sau mỗi 3 năm kể từ năm 1960, tựa như như định luật Moore. Sự tăng trưởng LED nói chung đã góp phần cho sự tăng trưởng song song giữa những công nghệ tiên tiến bán dẫn, khoa học vật tư và quang học. Người ta đã đặt tên nó là định luật Haitz, lấy từ tên của tiến sỹ Roland Haitz .

Năm 2001 và 2002, quy trình cấy GaN lên chất nền SiO
2 được hiện thực. Tháng 1 năm 2012, LED công suất lớn theo công nghệ này được thương mại hóa. Tin đồn là dùng tấm đế SiO
2 6inch(15.24 cm) thay vì tấm đế Saphia(Nhôm oxide) 2inch(5.08 cm) sẽ làm giảm 90% giá thành.

Về mặt điện tử[sửa|sửa mã nguồn]

Hoạt động của LED giống với nhiều loại diode bán dẫn.

Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n ( chứa những điện tử tự do ) thì những lỗ trống này có khuynh hướng hoạt động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm những điện tử ( điện tích âm ) từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm ( thiếu vắng lỗ trống và dư thừa điện tử ) trong khi khối n tích điện dương ( thiếu vắng điện tử và dư thừa lỗ trống ) .Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, 1 số ít điện tử bị lỗ trống lôi cuốn và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu thế tích hợp với nhau tạo thành những nguyên tử trung hòa. Quá trình này hoàn toàn có thể giải phóng nguồn năng lượng dưới dạng ánh sáng ( hay những bức xạ điện từ có bước sóng gần đó ) .Hầu hết những vật tư làm LED có chiết suất rất cao, tức là hầu hết ánh sáng phát ra sẽ quay ngược vào bên trong thay vì phát ra ngoài không khí. Do đó công nghệ tiên tiến trích xuất ánh sáng từ LED cũng rất quan trọng, cần rất nhiều sự điều tra và nghiên cứu và tăng trưởng .

Các chất bán dẫn như SiO
2 có chiết suất rất cao khi chưa có lớp tráng phủ. Điều này sẽ ngăn cản photon đi ra khỏi chất bán dẫn. Đặc điểm này ảnh hưởng đến hiệu suất LED và tế bào quang điện. Chiết suất của SiO
2 là 3.96(590 nm), còn không khí là 1.0002926.

Nói chung, chỉ có những photon vuông góc với mặt bán dẫn hoặc góc tới cỡ vài độ thì mới hoàn toàn có thể thoát ra ngoài. Những photon này sẽ tạo thành 1 chùm sáng dưới dạng hình nón. Những photon không hề thoát ra ngoài sẽ chui ngược vào bên trong chất bán dẫn .Những photon phản xạ toàn phần hoàn toàn có thể thoát ra ngoài qua những mặt khác của chất bán dẫn nếu góc tới đủ nhỏ và chất bán dẫn đủ trong suốt để không hấp thụ trọn vẹn những photon. Tuy nhiên, với LED đều vuông góc ở tổng thể những mặt thì ánh sáng trọn vẹn không hề thoát ra và sẽ biến thành nhiệt làm nóng chất bán dẫn .Hình dáng lý tưởng được cho phép tối đa phát sáng là dạng vi cầu, là những hình cầu có kích cỡ siêu nhỏ từ 1 μm đến 1000 μm. Ánh sáng sẽ phát ra từ điểm TT và điện cực cũng phải chạm điểm TT. Tất cả ánh sáng phát ra sẽ vuông góc hàng loạt mặt phẳng quả cầu, do đó sẽ không có phản xạ. Bán cầu cũng hoàn toàn có thể cho hiệu quả tựa như nếu mặt sống lưng trọn vẹn phẳng để phản xạ trọn vẹn những tia phát về phía mặt sống lưng .

Lớp tráng phủ[sửa|sửa mã nguồn]

Rất nhiều LED được bọc bằng 1 vỏ nhựa màu hoặc trong suốt vì 3 mục tiêu

1. hàn LED vào bảng mạch sẽ dễ hơn.
2. dây dẫn bên trong LED rất mỏng sẽ được bảo vệ tốt hơn.
3. lớp nhựa sẽ đóng vai trò như là môi trường trung gian. Chiết suất của vỏ nhựa sẽ thấp hơn chiết suất bán dẫn nhưng cao hơn không khí

Lý do thứ ba sẽ ngày càng tăng năng lực phát sáng của LED vì nó sẽ như 1 thấu kính phân kỳ, được cho phép ánh sáng có góc tới cao hơn góc tới hạn hoàn toàn có thể lọt ra ngoài không khí .

Hiệu suất và những thông số kỹ thuật hoạt động giải trí[sửa|sửa mã nguồn]

LED dùng làm thông tư có hiệu suất chỉ cỡ 30-60 mW. Năm 1999, Philips Lumileds trình làng LED hoàn toàn có thể hoạt động giải trí liên tục với hiệu suất 1W. Nó dùng 1 đế bán dẫn lớn hơn rất nhiều so với LED thông tư. Thêm nữa là có bộ phận tản nhiệt bằng sắt kẽm kim loại .Một trong những ưu điểm của LED là có hiệu suất chiếu sáng cao. LED trắng nhanh gọn bắt kịp và vượt qua hiệu suất của đèn dây tóc .Năm 2002, Lumileds sản xuất thành công xuất sắc LED 5W với hiệu suất chiếu sáng từ 18-22 lumen / oát. Để so sánh, đèn dây tóc 60-100 W có hiệu suất cỡ 15 lm / W, còn đèn huỳnh quang tốt thì 100 lm / W. Một yếu tố khá cũ là hiệu suất giảm nhanh khi tăng dòng qua LEDTháng 9 năm 2003, một loại LED xanh da trời được công ty Cree ra mắt phát ra 24 mW với dòng điện là 20 mA. Điều này có nghĩa là 1 bóng LED trắng sẽ có 65 lm / W với dòng 20 mA. Đây chính là LED trắng có hiệu suất cao nhất thời đó, hơn 4 lần so với đèn dây tóc .Năm 2006, họ ra mắt loại sản phẩm mẫu đạt kỷ lục mới cho hiệu suất của LED trắng là 131 lm / W với dòng điện 20 mA. Năm này, công ty Nichia Corporation trình làng LED trắng với hiệu suất 150 lm / W cũng với dòng điện 20 mA .

Năm 2011, Xlamp XM-L, 1 dòng sản phẩm của hãng Cree phát ra 100lm/W với công suất 10W, hiệu suất là 160lm/W nếu công suất là 2W.

Năm 2012, Cree trình làng LED trắng hiệu suất 254 lm / W. Trong trong thực tiễn, LED chiếu sáng có hiệu suất từ 1W trở lên, dòng tiêu thụ nổi bật là 350 mA .Chú ý là hiệu suất nói trên chỉ tính riêng cho LED và dưới môi trường tự nhiên nhiệt độ thấp trong phòng thí nghiệm. Trên thực tiễn, nhiệt độ cao và mạch nguồn cho LED cũng có thất thoát nguồn năng lượng nên hiệu suất thấp hơn nhiều .Tháng 3 năm 2012, cree công bố LED mẫu đã đạt được 208 lm / W với nhiệt độ phòng, nhiệt độ màu là 4579K .
Bán dẫn nói chung và LED nói riêng rất bền khi dòng tiêu thụ nhỏ và ở nhiệt độ thấp. Nhiều LED sản xuất năm 1970 – 1980 vẫn còn cho tới thời nay. Tuổi thọ thường là 25.000 cho đến 100.000 giờ nhưng nhiệt độ cao và dòng tiêu thụ cao thì tuổi thọ sẽ giảm nhanh gọn .Dạng hư hỏng chung của LED ( và diode laser ) là sẽ dần giảm độ sáng, hiệu suất. Hư hỏng bất thần dù hiếm nhưng cũng xảy ra. Các LED đỏ thời kì đầu tuổi thọ khá ngắn. Với sự tăng trưởng LED hiệu suất cao, LED văn minh phải chịu nhiệt độ cao hơn, dòng tải cao hơn rất lâu rồi. Điều này hoàn toàn có thể làm giảm tuổi thọ nhanh gọn. Để phân loại LED theo tuổi thọ, người đưa ra khái niệm L70 và L50, nghĩa là thời hạn để hiệu suất chiếu sáng còn 70 % và 50 % .Như những loại đèn khác, LED cũng nhờ vào vào nhiệt độ. Hầu hết những nhà phân phối đều công bố thông số kỹ thuật cho nhiệt độ phòng 25 °C. LED ngoài trời như đèn giao thông vận tải hoặc chiếu sáng công cộng nơi có nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao hoàn toàn có thể giảm độ sáng hoặc hoàn toàn có thể làm hư hỏng LED .LED tăng độ sáng ở nhiệt độ thấp tùy loại đơn cử, thường là – 30 °C. Do đó LED hoàn toàn có thể là sự lựa chọn tốt để chiếu sáng ở kho lạnh của siêu thị nhà hàng và tuổi thọ sẽ cao hơn những loại đèn khác. Vì LED ít phát nhiệt hơn đèn dây tóc nên sẽ có hiệu suất cao hơn ở những nơi dùng máy lạnh. Tuy nhiên cũng vì ít phát ra hơi nóng nên LED hoàn toàn có thể không dùng được ở những nơi có tuyết rơi dày. Để xử lý yếu tố này, người ta hoàn toàn có thể thêm một mạch điện tạo sức nóng. Thêm nữa, một điều tra và nghiên cứu vừa thành công xuất sắc tạo ra một loại tản nhiệt truyền nhiệt vào khu vực thích hợp bên trong đèn LED .

Màu sắc và vật tư[sửa|sửa mã nguồn]

LED truyền thống lịch sử được làm từ một số ít chất bán dẫn vô cơ. Bảng dưới đây trình diễn những loại sắc tố cùng với bước sóng, điện áp và vật tư :

LED xanh da trời và LED tia cực tím[sửa|sửa mã nguồn]

LED xanh da trời hiện tại dựa trên chất bán dẫn có vùng cấm rộng như GaN ( gali nitride ) và InGaN ( indi gali nitride ). Chúng hoàn toàn có thể được gắn chung với LED xanh lá và LED đỏ để tạo ánh sáng trắng dù LED trắng ngày này ít dùng cách này .LED xanh da trời đầu tiên do Jacques Pankove làm bằng chất gallium nitride vào năm 1971 ở RCA Laboratories. [ 18 ] Tuy nhiên ánh sáng của nó quá yếu nên không dùng được trên trong thực tiễn và sau đó điều tra và nghiên cứu về gallium nitride không có tiến triển gì nhiều. Vào tháng 8 năm 1989, công ty Cree Inc. bán ra LED xanh da trời đầu tiên dùng chất bán dẫn có vùng cấm gián tiếp, silíc carbide. [ 19 ] LED bằng SiC có hiệu suất rất thấp, không quá 0.03 % .Cuối thập niên 1980, cải tiến vượt bậc trong điều tra và nghiên cứu màng mỏng mảnh GaN epitaxial và cấy p-type [ 20 ] đã dẫn tới một kỷ nguyên mới cho những thiết bị quang điện dựa trên GaN. Trên nền tảng này, vào năm 1993 LED xanh nước biển có độ sáng cao đã được hiện thực. [ 21 ] do Shuji Nakamura của công ty Nichia Corporation dùng gallium nitride .Cuối thập kỷ 1990, LED xanh da trời đã được thông dụng thoáng rộng. Chúng có một hoặc nhiều lớp kích hoạt InGaN quantum well được kẹp giữa những lớp dày bằng GaN, gọi là lớp bao trùm. Bằng cách biến hóa tỷ suất In-Ga trong lớp InGaN quantum wells, về kim chỉ nan có phát ra ánh sáng từ màu tím cho đến màu hổ phách. Thay đổi tỷ suất Al / Ga trong Nhôm gali nitride ( AlGaN ) rồi dùng làm lớp bao trùm và lớp kích hoạt hoàn toàn có thể tạo được LED tia cực tím. Tuy nhiên cách này vẫn chưa có được hiệu suất cũng như độ chín muồi của công nghệ tiên tiến InGaN / GaN ( LED xanh lá, xanh da trời ). Nếu dùng GaN làm lớp kích hoạt quantum well layers thì hoàn toàn có thể sẽ tạo được LED phát ra ánh sáng gần khu vực tia cực tím, đỉnh cực lớn nằm gần 365 nm. LED xanh lá làm từ InGaN / GaN có độ sáng, hiệu suất bỏ xa so với làm từ những chất không phải hợp chất của Nitơ nhưng hiệu suất vẫn còn quá thấp so với nhu yếu trong thực tiễn cho 1 mạng lưới hệ thống chiếu sáng hiệu suất lớn .Với hợp chất nitride có chứa nhôm, thường là AlGaN và AlGaInN, hoàn toàn có thể phát ra bước sóng ngắn hơn tia cực tím. Các LED cực tím đang trở nên thông dụng trên thị trường. LED có bước sóng gần tia cực tím bước sóng từ 375 – 395 nm giá rẻ đã có trên thị trường như những đèn soi chống tiền giả, công văn giả. Các diode có bước sóng ngắn hơn vẫn còn mắc nhưng cũng đã có trên trị trường với bước sóng nhỏ hơn 247 nm. [ 22 ] Vì độ nhạy sáng của vi sinh vật gần bằng với phổ hấp thụ của DNA, đỉnh ở gần 260 nm, những LED cực tím từ 250 – 270 nm sẽ trở thành thiết bị khử trùng trong tương lai. Các nghiên cứu và điều tra gần đây cho thấy LED cực tím kiểu A ( 365 nm ) đã trở thành thiết bị khử trùng hiệu suất cao. [ 23 ]Bước sóng ngắn hơn tia cực tím đã đạt được trong phòng thí nghiệm dùng nhôm nitride ( 210 nm ), [ 14 ] bo nitride ( 215 nm ) [ 12 ] [ 13 ] và kim cương ( 235 nm ). [ 11 ]Năm 2011, Zhong Lin Wang của Viện công nghệ tiên tiến Georgia đã phát hiện ra dùng dây kẽm oxide siêu nhỏ hoàn toàn có thể tăng hiệu suất của LED áp điện phát tia cực tím lên 4 lần, từ 2 % lên 8 %. [ 24 ]
Tùy theo mức nguồn năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau ( tức sắc tố của LED sẽ khác nhau ). Mức nguồn năng lượng ( và sắc tố của LED ) trọn vẹn phụ thuộc vào vào cấu trúc nguồn năng lượng của những nguyên tử chất bán dẫn .

LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn diode thường thì, trong khoảng chừng 1,5 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 .
Một sản phẩm đèn LED âm trần cao cấp, được sử dụng rộng rãi trong trang trí nội thất hiện đại
Trước đây, một bộ phận rất nhỏ của công nghệ LED được ứng dụng trong một số ít lĩnh vự như bộ phận hiển thị trong những thiết bị điện, điện tử, đèn quảng cáo, trang trí, đèn giao thông vận tải .Có điều tra và nghiên cứu về những loại LED có độ sáng tương tự với bóng đèn bằng khí neon. Đèn chiếu sáng bằng LED được cho là có những ưu điểm như gọn nhẹ, bền, tiết kiệm chi phí nguồn năng lượng .Các LED phát ra tia hồng ngoại được dùng trong những thiết bị điều khiển và tinh chỉnh từ xa cho đồ điện tử gia dụng .

LED còn được sử dụng để cung cấp ánh sáng bổ sung cho thực vật, nhất vào giai đoạn nảy mầm và ra hoa.

Ngày nay ( khoảng chừng từ 2010 – năm ngoái ), tại Nước Ta, công nghệ LED đã có những bước nhảy vọt trong ứng dụng vào thị trường gia dụng và công nghiệp một cách thoáng rộng. Cụ thể trong từng nghành nghề dịch vụ là :

• Chiếu sáng dân dụng: Đèn LED được ứng dụng mạnh mẽ vào lĩnh vực trang trí nội thất hiện đại và cổ điển, trang trí ngoại thất, tiểu cảnh, sân vườn,…
• Chiếu sáng công nghiệp: Vì có chi phí cao nên mặc dù hiểu rõ được tính ưu việt của công nghệ LED, nhưng chỉ một bộ phận nhỏ các nhà doanh nghiệp nước ngoài có năng lực về tài chính mới dám lựa chọn giải pháp chiếu sáng bằng công nghệ LED cho các nhà xưởng sản xuất của doanh nghiệp mình.

Liên kết ngoài[sửa|sửa mã nguồn]

Source: https://vvc.vn
Category : Công nghệ