CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Nguyên lý hoạt động của LED 1. Các vùng năng lượng Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật liệu có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện. Như ta đã biết thì tính dẫn điện của vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng.
điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn khác nhau( trạng thái kích thich, trạng thái cơ bản hay trạng thái dừng). Nhưng trong vật rắn khi các nguyên tử hay phân tử sắp xếp với nhau trở thành tinh thể thì các mức năng lượng này phủ lên nhau trở thành vùng năng lượng: Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động. Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, 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 (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.
Như vậy tính chất dẫn điện của chất rắn được giải thích như sau: Kim loại: là chất luôn tồn tại điện tử tự do trong vùng dẫn Điện môi: là chất có vùng dẫn trống hoàn toàn hay không có điện tử trong vùng dẫn, vùng hóa trị được lấp đầy hoàn toàn và độ rộng vùng cấm lớn hơn 3eV Chất bán dẫn: là chất có cấu trúc tương tự như điện môi nhưng độ rộng vùng cấm nhỏ hơn 3eV. ở điều kiện thường, chất bán dẫn không dẫn điện. Khi chất bán dẫn bị kích 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com thích ( nhiệt, quang,….) do độ rộng vùng cấm hẹp. các điện tử nhận năng lượng chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn.
Lúc này chất bán dẫn có thể dẫn điện. Chuyển tiếp p-n được hình thành khi ghép nối 2 loại bán dẫn pha tạp loại p và loại n 1. Chuyển tiếp p-n Các nguồn phát quang trên cơ sở vật liệu bán dẫn hầu hết dựa trên chuyển tiếp p- n, để tạo được bán dẫn loại p hay loại n người ta sé pha tạp những tạp chất phù hợp. sau khi ghép hai chất bán dẫn trên với nhau ta sẽ nhận được chuyển tiếp p-n.
ranh giới lớp tiếp xúc được gọi là lớp tiếp xúc công nghệ. N P Lớp tiếp xúc Hình 1.1 Sơ đồ chuyển tiếp p-n Miền p là miền có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III (pha tạp axepto) thiếu điện tử, phần tử dẫn điện chủ yếu là lỗ trống và chiếm giữ các trạng thái năng lượng trong vùng hóa trị. Miền n là miền có tạp chất là các nguyên tố thuôc nhóm V (pha tạp dono) dư điện tử, phần tử dẫn điện chủ yếu là điện tử và chiếm giữ các trạng thái năng lượng trong vùng dẫn Xác suất chiếm trạng thái năng lượng của điện tử và lỗ trống được xác định theo hàm phân bố fermi-dirac f(E)={1+exp[(E-Ef)/KT]}-1 (1) trong đó: Ef là mức fecmi, K là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối. 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đối với chất bán dẫn khi không pha tạp thì mức femi nằm trong vùng cấm.
khi pha tạp thì mức femi có xu hướng chuyển dịch ra ngoài vùng cấm. cụ thể là mức femi chuyển dịch vào vùng dẫn đối với bán dẫn loại n và vùng hóa trị đối với bán dẫn loại p. trong điều kiện bình thường ở trạng thái cân bằng nhiệt thì mức fecmi của miền p và miền n trùng nhau (Efv = Efc) (2) Khi một thiên áp thuận đặt lên chuyển tiếp p-n, sự cân bằng bị phá vỡ và Efv ≠ Efc. Đồng thời các hạt tải cơ bản (điện tử trong miền n và lỗ trống trong miền p) có khả năng xích lại gần lớp tiếp xúc công nghệ và hàng rào thế năng giảm đi.
Lúc này phần lớn các hạt tải cơ bản có năng lượng đủ lớn để vượt qua hàng rào thế năng. Dòng điện bắt đầu được sinh ra do sự khuếch tán của hạt tải. dòng điện I tăng theo hàm mũ cùng với sự tăng thế V đặt lên lớp chuyển tiếp: I=Is[exp(qV/kBT)-1] (3) Với Is là dòng bão hòa, phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống. Trong quá trình này điện tử và lỗ trống hiện diện đồng thời trên lớp chuyển tiếp.
những điện tử và lỗ trống đó có thể tái hợp thông qua bức xạ tự do hoặc bức xạ cưỡng bức và phát ra ánh sáng. Đây chính là nguồn phát quang bán dẫn 1. Cấu trúc của LED Về cấu trúc, LED có thể được chia làm 2 loại: - LED phát xạ mặt SLED (surface LED) - LED phát xạ cạnh ELED (edge LED) LED phát xạ mặt SLED (Surface LED) là loại LED có ánh sáng được phát ra ở phía mặt của LED.2 minh hoạ một loại SLED, được gọi là LED Burrus do cấu trúc của LED được chế tạo đầu tiên bởi Burrus và Dawson Trong cấu trúc này vùng phát xạ ánh sáng (vùng phát quang) của LED được giới hạn trong một vùng hẹp bằng cách sử dụng một lớp cách điện để hạn chế vùng dẫn điện của tiếp xúc P. Do đó, tại vùng tích cực của LED có mật độ dòng điện cao dẫn đến hiệu suất phát quang lớn[2].
5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Cấu trúc cơ bản của một SLED LED phát xạ cạnh ELED (Edge LED) là loại LED có ánh sáng ở phía cạnh của LED (hình 1. Trong cấu trúc này, các điện cực tiếp xúc (bằng kim loại) phủ kín mặt trên và đáy của LED. Ánh sáng phát ra trong lớp tích cực (active layer) rất mỏng. Lớp tích cực này được làm bằng chất bán dẫn có chiết suất lớn được kẹp giữa bởi hai lớp bán dẫn P và N có chiết suất nhỏ hơn.
Cấu trúc này hình thành một ống dẫn sóng trong ELED. Do vậy, ánh sáng phát ra ở lớp tích cực được giữ lại và lan truyền dọc theo trong ống dẫn sóng này. Kết quả là, ánh sáng được phát ra ở hai đầu ống dẫn sóng, tức là phát xạ ở phía cạnh của LED. Với đặc điểm cấu trúc như vậy, ELED có vùng phát sáng hẹp và góc phát quang nhỏ.
Thích hợp sử dụng trong thông tin quang[2].3 Cấu trúc cơ bản của một ELED Hiện nay để tăng hiệu suất phát quang của LED thì cấu trúc chủ yếu là cấu trúc dị thể khép với cấu trúc giếng lượng tử. Trong cấu trúc này điện tử và lỗ trống được giam giữ tốt hơn trong vùng tích cực nằm giữa hai lớp chuyển tiếp nên hiệu suất phát quang cao hơn. 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Các đặc trưng cơ bản của LED 1.
Đặc trưng quang điện Công suất quang lối ra là tính chất quan trọng của LED và các nguồn phát quang khác. Có thể tính được công suất nội sinh của bức xạ tự phát. Tại một dòng bơm I nào đó tốc độ tiêm hạt tải sẽ là I/q. Ở trạng thái dừng , tốc độ tái hợp của các cặp điện tử - lỗ trống thông qua quá trình tái hợp bức xạ và không bức xạ bằng tốc độ tiêm hạt tải I/q.
vì hiệu suất lượng tử nội ηint (ηint = Nph/Ne) xác định phần các cặp điện tử lỗ trống tái hợp thông qua bức xạ tự phát nên tốc độ sinh photon sẽ là ηintI/q. Vì vậy công suất quang nội sẽ là: Pint = ηint(ħω/q)I (4) Với ħω là năng lượng photon. q là điện tích điện tử. nếu ηext là phần các photon thoát ra khỏi linh kiện khi đó công suất phát quang sẽ là: Pe = ηext ηint (ħω/q)I (5) ηext được gọi là hiệu suất lượng tử ngoại.
ηext có thể tính toán trên cơ sở xem xét sự hấp thụ nội và sự phản xạ trên các mặt phân cách bán dẫn- không khí. Hiệu xuất lượng tử nội ηint phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng và cấu trúc của nguồn quang. Do đó, đối với mỗi loại nguồn quang khác nhau sẽ có đặc tuyến P-I khác nhau. Công xuất phát quang tỷ lệ thuận với dòng điện cung cấp và trong trường hợp lý tưởng, đặc tuyến P-I thay đổi tuyến tính như hình 1.5 Đồ thị công suất quang phụ thuộc vào dòng bơm điều kiện lý tưởng 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đặc trưng quang điện còn được thể hiện qua đặc trưng dòng thế I-V.
Mỗi chất bán dẫn khác nhau sẽ cho một thế chuyển tiếp khác nhau. Thế này là đặc trưng cho vật liệu. Khi được thiên áp thuận bằng điện thế bên ngoài hàng rào thế năng của lớp chuyển tiếp giảm đi. Sự giảm này dẫn đến việc khuếch tán điện tử và lỗ trống qua lớp chuyển tiếp.
Dòng điện bắt đầu được sinh ra và tăng theo hàm mũ với sự tăng thế đặt lên chuyển tiếp: I=Is[exp(qV/kBT)-1] (6) Với Is là dòng bão hòa, phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống. Do hệ số khuếch tán của các chất bán dẫn là khác nhau nên mỗi chất bán dẫn sẽ có một thế chuyển tiếp đặc trưng. Đặc trưng phổ của LED LED được chế tạo từ chất bán dẫn. Do đó, các điện tử nằm trong một vùng năng lượng chứ không phải ở một mức năng lượng.
+ Các điện tử khi chuyển từ các mức năng lượng Ej trong vùng dẫn xuống mức năng lượng Ei trong vùng hóa trị sẽ tạo ra photon có bước sóng. Do có nhiều mức năng lượng khác nhau trong các vùng năng lượng nên sẽ có nhiều bước sóng ánh sáng được tạo ra. + Phân bố mật độ điện tử trong vùng dẫn và vùng hóa trị không đều nhau, dẫn đến công suất phát quang tại các bước song không đều nhau. Độ bán rộng của phổ quang được định nghĩa là khoảng bước sóng do nguồn LED phát ra có công xuất bằng 0,5 lần công xuất đỉnh (hay giảm 3dB).
+ Độ bán rộng phổ của LED phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn quang. Ánh sáng có bước sóng 1,3µm do LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 50-60nm.