Led (Light Emitter Diode) là một mối nối bán dẫn PN, khi bị kích thích bởi dòng điện thì nó phát ra sáng. Như vậy có thể xem Led là một linh kiện chuyển đổi trực tiếp điện năng ra quang năng. Bài viết này sẽ khái quát về linh kiện điện tử này.

LED CƠ BẢN VÀ ỨNG DỤNG.

LED là tên tắt của Light Emitting Diode – Diode phát sáng. Cũng như các loại diode khác, LED cũng cấu tạo từ hai loại bán dẫn N và P ghép lại. Thông thường khi dòng điện đi qua vật dẫn điện sẽ sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt, nhưng đối với một số chất bán dẫn thì sẽ có hiện tượng bức xạ quang khi có dòng điện đi qua nó. Tuỳ theo chất bán dẫn mà ánh sáng phát ra có các màu khác nhau như đỏ, cam, vàng, xanh…

Lịch sử của LED

Năm 1907 tại phòng thí nnghiệm Marconi, Ông H. J. Round lần đầu tiên phát hiện hiện tượng biến điện thành ánh sáng khi dùng một dây dẫn (cat's-whisker detector) và tinh thể silic cacbua ( silicon carbide - SiC).

Năm 1927, Oleg Vladimirovich Losev, lần đầu tiên công bố sáng tạo LED trên các tạp chí khoa học của Nga, Đức, Anh, tuy nhiên đã không được thực tế hóa sau nhiều thập kỷ.

Năm 1955, Rubin Braunstein, của Radio Corporation of America nhận thấy có bức xạ hồng ngoại trên GaAs (gallium arsenide) và các hợp chất khác sau khi thí nghiệm trên các diode GaSb (gallium antimonide), GaAs, InP (indium phosphide), SiGe (silicon-germanium) ở nhiệt độ phòng và ở 77 độ K.

Năm 1961, Robert Biard và Gary Pittman làm việc tại Texas Instruments (TI) khi cho dòng điện chạy qua GaAs cũng thu được tia hồng ngoại và đã lấy bằng phát minh ra LED hồng ngoại, một loại ánh sáng không nhìn thấy được bằng mắt thường.

Năm 1962, Nick Holonyak, Jr làm việc tại General Electric (GE) đã phát hiện loại LED phát ánh sáng đỏ. Đây là lầ đầu tiên loại LED phát ra ánh sáng nhìn thấy bằng mắt thường được biết đến. Nick Holonyak, Jr đã báo cáo phát hiện của mình với tạp chí Applied Physics Letters, ông được xem như cha đẻ của LED.

Tiếp sau đó, vào năm 1972, M. George Craford tạo được LED màu vàng, ông cũng cải thiện độ sáng cho LED đỏ cũng như LED đỏ cam lên 10 lần.

Năm 1976, Pearsall lần đầu tiên đã tạo ra LED độ sáng cao, hiệu suất cao cho cáp quang khi sáng chế ra loại vật liệu bán dẫn mới có khả năng phát ra sóng điện từ phù hợp cáp quang.

Thập kỷ 1990 của thế kỷ 20 đánh dấu sự ra đời của LED xanh dương và Led trắng. LED xanh dương được Shuji Nakamura của công ty Nichia Corporation làm từ InGaN vào năm 1994 trên kỹ thuật 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 Đại học Cardiff đã nghiên cứu và giới thiệu LED "tiếp xúc trong suốt - transparent contact" có độ sáng và hiệu suất cao bằng cách dùng 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 dương cho ra ánh sáng trắng. Năm 2006, Nakamura được trao giải thưởng công nghệ thiên nhiên kỷ cho phát minh này.

Nguyên lý vận chuyển của LED

Như đã biết, LED cũng là diode nên nguyên lý vận chuyển của nó cũng tương tự diode.

Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N chứa các điện tử tự do. Các lỗ trống này có xu hướng di chuyển khuếch tán sang khối N. Cùng lúc khối P lại nhận các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và thừa điện tử) ngược lại khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và thừa lỗ trống).

Ở 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 (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).

Chiết suất và vỏ bọc

SiO₂ là chất bán dẫn có chiết suất rất cao khi chưa có lớp tráng phủ, sẽ ngăn cản photon đi ra khỏi chất bán dẫn. Đặc điểm này ảnh hưởng đến hiệu suất LED cũng như tế bào quang điện. Chiết suất của SiO₂ là 3.96(590 nm), còn không khí là 1.0002926.

Chỉ những photon vuông góc với mặt bán dẫn hoặc góc tới cỡ vài độ thì mới có thể thoát ra ngoài. Những photon này sẽ tạo thành 1 chùm sáng dưới dạng hình nón. Những photon không thể thoát ra ngoài sẽ chui ngược vào bên trong chất bán dẫn.

Các photon phản xạ toàn phần có thể thoát ra ngoài qua các mặt khác của chất bán dẫn nếu góc tới đủ nhỏ và chất bán dẫn đủ trong suốt để không hấp thụ hoàn toàn các photon. Tuy nhiên, với LED đều vuông góc ở tất cả các mặt thì ánh sáng hoàn toàn không thể thoát ra và sẽ biến thành nhiệt làm nóng chất bán dẫn.

Hình dáng lý tưởng cho phép tối đa phát sáng là dạng vi cầu, là các hình cầu có kích thước siêu nhỏ từ 1 μm đến 1000 μm. Ánh sáng sẽ phát ra từ điểm trung tâm và điện cực cũng phải chạm điểm trung tâm. Tất cả ánh sáng phát ra sẽ vuông góc toàn bộ bề mặt quả cầu , do đó sẽ không có phản xạ. Bán cầu cũng có thể cho kết quả tương tự nếu mặt lưng hoàn toàn phẳng để phản xạ hoàn toàn các tia phát về phía mặt lưng.

LED được bọc bằng 1 vỏ nhựa màu hoặc trong suốt 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 và gia tăng khả năng phát sáng của LED vì nó sẽ như 1 thấu kính khuếch tán, cho phép ánh sáng có góc tới cao hơn góc tới hạn có thể lọt ra ngoài không khí.

Thông số

LED dùng làm chỉ thị có công suất chỉ cỡ 30-60mW. Năm 1999, Philips Lumileds giới thiệu LED dùng đế bán dẫn lớn hơn rất nhiều so với LED chỉ thị và thêm bộ phận tản nhiệt bằng kim loại nên có thể hoạt động liên tục với công suất 1W.

Một trong những ưu điểm của LED là có hiệu suất chiếu sáng cao. LED trắng nhanh chóng bắt kịp và vượt qua hiệu suất của đèn sợi đốt.

Năm 2002, Lumileds chế tạo thành công LED 5W với hiệu suất chiếu sáng từ 18-22 lm/W. Để so sánh, đèn sợi đốt 60-100W có hiệu suất cỡ 15lm/W, còn đèn huỳnh quang tốt thì 100lm/W. Nhưng khi tăng dòng qua LED thì hiệu suất giảm nhanh.

Bảng dưới đây là hiệu suất tốt nhất của từng màu theo catalog Lumiled năm 2012:

Màu	Bước sóng trong khoảng (nm)	Hiệu suất điển hình( lm / W )
Đỏ	620 < λ <645	72
Đỏ cam	610 < λ <620	98
Xanh lá	520 < λ <550	93
Xanh ngọc	490 < λ <520	75
Xanh dương	460 < λ <490	37

Tháng 9 năm 2003, một loại LED xanh dương được công ty Cree giới thiệu phát ra 24 mW với dòng điện là 20mA. Điều này có nghĩa là 1 bóng LED trắng sẽ có 65lm/W với dòng 20mA. Đây chính là LED trắng có hiệu suất cao nhất lúc đó, hơn 4 lần so với đèn sợi đốt

Năm 2006, sản phẩm mẫu đạt kỷ lục mới cho hiệu suất của LED trắng là 131lm/W với dòng điện 20mA. Năm này, công ty Nichia Corporation giới thiệu LED trắng với hiệu suất 150lm/W cũng với dòng điện 20mA.

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 giới thiệu LED trắng hiệu suất 254lm/W. Trong thực tế, LED chiếu sáng có công suất từ 1W trở lên, dòng tiêu thụ điển hình là 350mA.

Hiệu suất nói trên chỉ tính riêng cho LED và dưới môi trường nhiệt độ thấp trong phòng thí nghiệm. Trên thực tế, nhiệt độ cao và mạch nguồn cho LED cũng có thất thoát năng lượng nên hiệu suất thấp hơn nhiều.

Tháng 3 năm 2012, Cree tuyên bố LED mẫu đã đạt được 208lm/W với nhiệt độ phòng, nhiệt độ màu là 4579K.

Độ bền của LED

Khi dòng tiêu thụ nhỏ và ở nhiệt độ thấp, tuổi thọ của LED rất cao, nhiều LED sản xuất năm 1970-1980 vẫn còn cho tới ngày nay. Tuổi thọ thường là 25.000 cho đến 100.000 giờ. Nhưng độ bền của LED sẽ giảm nhanh khi nhiệt độ và dòng tiêu thụ cao.

Hư hỏng của LED thường là dần giảm độ sáng, hiệu suất, dù vẫn có những LED chết ngay. Ở thời kì đầu LED đỏ có tuổi thọ khá ngắn. Sự phát triển LED cao, ngày nay LED phải chịu nhiệt độ cao hơn, dòng tải cao hơn trước đây, dẫn đến tuổi thọ có thể giảm nhanh chóng.

Để phân loại LED theo tuổi thọ, người đưa ra khái niệm L70 và L50, nghĩa là thời gian để hiệu suất chiếu sáng còn 70% và 50%.

LED cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Hầu hết các nhà sản xuất đều công bố thông số cho nhiệt độ phòng 25°C. LED dùng cho đèn giao thông hoặc chiếu sáng công cộng, nơi có nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao có thể giảm độ sáng hoặc hư hỏng .

Vật liệu và màu sắc của LED

LED được cấu tạo từ 1 số chất bán dẫn vô cơ. Bảng dưới đây trình bày các loại màu sắc với bước sóng, điện áp và vật liệu:

Màu sắc	Bước sóng [nm]	Điện áp [ΔV]	Vật liệu
Hồng ngoại	λ > 760	ΔV < 1.63	Gallium arsenide (GaAs) Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)
Đỏ	610 < λ < 760	1.63 < ΔV < 2.03	Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP)
Cam	590 < λ < 610	2.03 < ΔV < 2.10	Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP)
Vàng	570 < λ < 590	2.10 < ΔV < 2.18	Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP)
Xanh lá	500 < λ < 570	1.9< ΔV < 4.0	Indium gallium nitride (InGaN) / Gallium(III) nitride (GaN) Gallium(III) phosphide (GaP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Aluminium gallium phosphide (AlGaP)
Xanh dương	450 < λ < 500	2.48 < ΔV < 3.7	Zinc selenide (ZnSe) Indium gallium nitride (InGaN) Silicon carbide (SiC) as substrate Silicon (Si) as substrate — under development
Tím (Violet)	400 < λ < 450	2.76 < ΔV < 4.0	Indium gallium nitride (InGaN)
Hồng tím (Purple)	multiple types	2.48 < ΔV < 3.7	Hai loại LED xanh dương, đỏ xanh dương với phosphor đỏ, hoặc trắng với nhựa màu purple
Tia cực tím	λ < 400	3.1 < ΔV < 4.4	Kim cương (235 nm) Boron nitride (215 nm) Aluminium nitride (AlN) (210 nm) Aluminium gallium nitride (AlGaN) Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN) — down to 210 nm
Hồng (Pink)	multiple types	ΔV ~ 3.3	Blue with one or two phosphor layers: yellow with red, orange or pink phosphor added afterwards, or white with pink pigment or dye.
Trắng	Broad spectrum	ΔV = 3.5	Xanh dương/UV kết hợp phosphor vàng

Ứng dụng

Sau khi được thương mại hóa, LED được sử dụng rộng rãi thay thế cho thiết bị chỉ thị bằng bóng sợi đốt. Người ta còn chế tạo ra LED 7 đoạn và sau này là ứng dụng trong tivi, radio, điện thoại, máy tính, đồng hồ…Ban đầu, các LED ánh sáng đỏ chỉ đủ sáng phục vụ cho mục đích chỉ thị, ánh sáng của chúng phát ra không đủ để chiếu sáng cả một vùng. Sau khi công nghệ LED phát triển, các nguồn LED có hiệu suất phát sáng cao được phát minh dần dần phục vụ cho mục đích chiếu sáng. Nhất là việc phát minh và phát triển LED siêu sáng, đã đáp ứng được hoàn toàn cho việc chiếu sáng và quảng cáo.

Hiện nay, LED đã xuất hiện khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực của đời sống, từ màn hình Tivi, máy tính, bảng quảng cáo, tạo hình 3D tới đèn giao thông. Với những ưu điểm dễ nhận thấy: tiết kiệm năng lượng, tiện dụng, thân thiện với môi trường, an toàn với người sử dụng, chất lượng và tuổi thọ cao, LED có triển vọng đẩy lùi các loại bóng đèn khác vào quá khứ trong công nghệ thắp sáng toàn cầu và là phương pháp chiếu sáng hiệu quả trong tương lai.

Tin tức - Dịch vụ khác

Chính sách bảo hành - đổi trả - hoàn tiền trên linhkien4u.com

Chính sách bảo mật thông tin trên linhkien4u.com

Chính sách vận chuyển và giao nhận

Các phương thức thanh toán

Khuếch đại thuật toán

Cảm biến chuyển động PIR và ứng dụng

Power ampli đèn lai Class D Medusa

Thanh toán an toàn sử dụng tài khoản Bảo Kim

Linh kiện điện tử và DIY

Đặt hàng với linhkien4u

CÔNG TY TNHH.MTV THƯƠNG MẠI DỊCH VỤ BKITEC

Mã số doanh nghiệp: 0313009850

Địa chỉ: 42 Hồng Lạc phường 11 quận Tân Bình TP.HCM. ĐT: 08.39714641