Đèn LED

Đèn LED (viết tắt của light-emitting diode, có nghĩa là diode phát sáng hoặc diode phát quang) là các diode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Tương tự như diode, Đèn LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n.

Lịch sử

Những khám phá ban đầu

Hiện tượng chuyển điện thành ánh sáng được H. J. Round phát hiện đầu tiên vào năm 1907 tại phòng thí nghiệm Marconi. Ông sử dụng một sợi dây dẫn và tinh thể Silicon carbide (SiC). Oleg Vladimirovich Losev, một nhà nghiên cứu người Nga, công bố lần đầu tiên về LED trên các tạp chí khoa học Nga, Đức và Anh. Tuy nhiên, không có ứng dụng thực tế trong vài thập kỷ tiếp theo. Rubin Braunstein, của công ty Radio Corporation of America, đã phát hiện ra bức xạ hồng ngoại từ hợp chất GaAs và các hợp chất khác vào năm 1955. Braunstein đã thí nghiệm trên các diode GaSb, GaAs, indium phosphide (InP), và silicon-germanium (SiGe) ở nhiệt độ phòng và ở 77 độ K.

Năm 1961, các nhà nghiên cứu người Mỹ Robert Biard và Gary Pittman, làm việc tại Texas Instruments, cũng phát hiện ra rằng GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện chạy qua và đã được công nhận bằng bằng phát minh về LED hồng ngoại.

Đèn 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 làm việc cho General Electric ở Syracuse, New York. Holonyak đã báo cáo hiện tượng này trong lá thư gửi tạp chí Applied Physics Letters vào ngày 01-12-1962. Ông được coi là cha đẻ của LED. M. George Craford, một sinh viên tốt nghiệp trước đó của Holonyak, đã phát minh ra LED vàng đầu tiên và đã cải thiện độ sáng lên 10 lần cho LED đỏ và LED đỏ-cam vào năm 1972. Vào năm 1976, T. P. Pearsall đã tạo ra LED công suất cao đầu tiên, hiệu suất cao cho cáp quang nhờ vào việc sáng chế vật liệu bán dẫn mới phù hợp cho cáp quang.

Quá trình thương mại hóa

LED đầu tiên được thương mại hóa để thay thế cho đèn chỉ thị làm bằng đèn dây tóc, neon và màn hình bảy đoạn. Ban đầu, chúng chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm với giá rất cao. Sau đó, chúng đã được áp dụng vào các thiết bị như tivi, radio, điện thoại, máy tính và thậm chí là đồng hồ. Đến năm 1968, LED vẫn còn rất đắt, khoảng 200 đô la Mỹ mỗi chiếc và ít được ứng dụng. Cũng vào năm 1968, Công ty Monsanto là công ty đầu tiên sản xuất LED hàng loạt sử dụng gali asen phosphor (GaAsP). Cùng năm đó, Hewlett Packard giới thiệu LED từ GaAsP do Monsanto cung cấp. Những chiếc LED này, có màu đỏ, được trang bị thấu kính nhựa để sử dụng trong màn hình máy tính và chỉ đủ sáng để làm đèn chỉ thị. Vào những năm tiếp theo, LED vàng và cam cũng trở nên phổ biến. Năm 1970, LED thực sự được thương mại hóa thành công khi công ty Fairchild Semiconductor bán ra thị trường với giá 5 xu Mỹ cho mỗi bóng LED. Công ty này đã sử dụng quy trình Planar do tiến sĩ Jean Hoerni phát minh khi làm việc cho họ. Kết hợp giữa quy trình Planar và các phương pháp đóng gói giúp nhóm trưởng Thomas Brandt của Fairchild giảm thiểu chi phí sản xuất. Các phương pháp này vẫn được các công ty sử dụng để sản xuất LED cho đến ngày nay.

Ngành công nghệ vật liệu cho LED đã phát triển mạnh mẽ. Công suất ngày càng tăng nhưng hiệu suất và độ tin cậy vẫn được duy trì ở mức chấp nhận được. Phát minh và phát triển LED trắng công suất cao nhanh chóng thay thế đèn dây tóc và đèn huỳnh quang. LED hiện nay thường là các loại 5mm T1¾ và 3mm T1. Tuy nhiên, với xu hướng tăng công suất, các kiểu đóng gói khác cũng được phát triển để đáp ứng nhu cầu làm mát. Cấu trúc bên trong của LED công suất cao ngày nay rất phức tạp, nhưng về bề ngoài chúng vẫn giống như các LED ban đầu.

LED xanh da trời và LED trắng

LED xanh da trời được phát minh từ InGaN bởi Shuji Nakamura của công ty Nichia Corporation vào năm 1994. Hai kỹ thuật chính là việc cấy GaN lên lớp nền Sapphire và tạo lớp bán dẫn P từ GaN (được Isamu Akasaki và H. Amano phát triển tại 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 và hiệu suất cao bằng cách sử dụng Oxit Indi thiếc. Việc phát minh LED xanh da trời cùng với sự phát triển nhanh chóng của LED hiệu suất cao đã dẫn đến việc phát triển LED trắng đầu tiên sử dụng Y3Al5O12:Ce, còn được gọi là YAG, là lớp phủ để kết hợp ánh sáng vàng và ánh sáng xanh da trời để tạo ra ánh sáng trắng. Năm 2006, Nakamura đã nhận được giải thưởng công nghệ thiên niên kỷ vì phát minh này.

Hiệu suất và công suất của LED tăng theo hàm mũ, gấp đôi sau mỗi 3 năm kể từ năm 1960, tương tự như định luật Moore. Sự phát triển của LED nói chung đã đóng góp cho sự phát triển đồng bộ giữa các công nghệ bán dẫn, khoa học vật liệu và quang học. Được gọi là định luật Haitz, lấy tên từ tiến sĩ Roland Haitz.

Năm 2001 và 2002, quá trình cấy GaN lên chất nền SiO2 đã được hiện thực. Tháng 1 năm 2012, LED công suất lớn theo công nghệ này đã được thương mại hóa. Tin đồn cho biết việc sử dụng tấm đế SiO2 6 inch (15.24 cm) thay vì tấm đế Sapphire (Nhôm oxit) 2 inch (5.08 cm) có thể làm giảm 90% giá thành.

Hoạt động

Về mặt điện tử

Hoạt động của LED tương tự như nhiều loại diode bán dẫn khác.

Khối bán dẫn p chứa nhiều lỗ trống mang điện tích dương tự do, khi kết hợp với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do), các lỗ trống này chuyển động sang khối n. Đồng thời, khối p nhận thêm các điện tử từ khối n, dẫn đến tích điện âm ở khối p và điện dương ở khối n.

Ở biên giới giữa hai khối, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiếp xúc, có xu hướng kết hợp thành các nguyên tử trung hòa, giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hoặc các bức xạ điện từ tương ứng.

Hầu hết các vật liệu làm LED có chỉ số khúc xạ cao, điều này dẫn đến hầu hết ánh sáng phát ra bị phản xạ lại bên trong thay vì ra ngoài không khí. Do đó, công nghệ trích xuất ánh sáng từ LED rất quan trọng và đòi hỏi nhiều nghiên cứu và phát triển.

Chiết suất

Các chất bán dẫn như SiO
₂ có chỉ số khúc xạ rất cao khi chưa được phủ lớp. Điều này làm ngăn cản photon thoát ra khỏi chất bán dẫn và ảnh hưởng đến hiệu suất của LED và tế bào quang điện. Chiết suất của SiO
₂ là 3.96 (590 nm), trong khi của không khí là 1.0002926.

Những photon chỉ có thể thoát ra ngoài khi tiếp xúc vuông góc với mặt bán dẫn hoặc góc tới rất nhỏ. Những photon này tạo thành chùm sáng hình nón. Các photon không thoát ra sẽ bị phản xạ ngược lại 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 khi góc tới đủ nhỏ và chất bán dẫn đủ trong suốt để không hấp thụ hết các photon. Tuy nhiên, với LED có mặt vuông góc ở tất cả các mặt, ánh sáng không thể thoát ra ngoài và sẽ biến thành nhiệt, làm nóng chất bán dẫn.

Hình dạng lý tưởng cho phép LED phát sáng tối đa là hình cầu hoặc hình bán cầu với kích thước rất nhỏ từ 1 μm đến 1000 μm. Ánh sáng được phát ra từ điểm trung tâm và điện cực phải tiếp xúc với điểm trung tâm. Điều này đảm bảo rằng ánh sáng phát ra vuông góc với toàn bộ bề mặt của quả cầu, không gây phản xạ. Hình bán cầu cũng có thể cho kết quả tương tự nếu mặt lưng hoàn toàn phẳng để phản xạ hết các tia phát ra về phía mặt lưng.

Lớp tráng phủ

Nhiều LED được bọc bằng vỏ nhựa màu hoặc trong suốt với 3 mục đích chính:

1. Đơn giản hóa quá trình hàn LED vào bảng mạch.
2. Bảo vệ dây dẫn bên trong LED mỏng hơn.
3. Lớp nhựa đóng vai trò là môi trường trung gian. Chiết suất của vỏ nhựa thấp hơn so với chất bán dẫn nhưng cao hơn so với không khí.

Lý do thứ ba làm tăng khả năng phát sáng của LED, vì nó hành động như một thấu kính phân kỳ, cho phép ánh sáng với góc tới cao hơn so với góc tới tối đa có thể thoát ra ngoài không khí.

Hiệu suất và các thông số hoạt động

LED sử dụng làm chỉ thị có công suất từ 30-60 mW. Vào năm 1999, Philips Lumileds đã giới thiệu LED có thể hoạt động liên tục với công suất lên đến 1W. Điều này sử dụng một đế bán dẫn lớn hơn đáng kể so với LED chỉ thị, kèm theo bộ phận tản nhiệt bằng kim loại.

Một trong những lợi thế của LED là có hiệu suất chiếu sáng cao. LED trắng nhanh chóng bắt kịp và vượt qua hiệu suất của đèn dây tóc.

Vào năm 2002, Lumileds thành công chế tạo LED 5W với hiệu suất chiếu sáng từ 18-22 lumen/watt. Để so sánh, đèn dây tóc có hiệu suất từ 60-100W chỉ có khoảng 15 lm/W, trong khi đèn huỳnh quang tốt nhất đạt 100 lm/W. Một vấn đề lâu nay là hiệu suất giảm nhanh khi dòng điện qua LED tăng lên.

Vào tháng 9 năm 2003, Cree giới thiệu LED xanh da trời phát ra 24 mW với dòng điện là 20 mA. Điều này có nghĩa là một bóng LED trắng sẽ có hiệu suất lên đến 65 lm/W với dòng điện 20 mA. Đây là LED trắng có hiệu suất cao nhất vào thời điểm đó, gấp 4 lần so với đèn dây tóc.

Vào năm 2006, họ giới thiệu sản phẩm đạt kỷ lục mới cho hiệu suất LED trắng là 131 lm/W với dòng điện 20 mA. Cùng năm đó, Nichia Corporation cũng giới thiệu LED trắng đạt hiệu suất 150 lm/W với dòng điện 20 mA.

Vào năm 2011, Xlamp XM-L, một dòng sản phẩm của hãng Cree, phát ra 100 lm/W với công suất 10 W. Hiệu suất là 160 lm/W nếu công suất chỉ còn 2 W.

Vào năm 2012, Cree giới thiệu LED trắng với hiệu suất 254 lm/W. Trên thực tế, LED chiếu sáng có công suất từ 1 W trở lên, dòng tiêu thụ điển hình là 350 mA.

Chú ý rằng hiệu suất được nêu trên chỉ tính trong điều kiện phòng thí nghiệm và dưới nhiệt độ thấp. Trên thực tế, do nhiệt độ cao và mất mát năng lượng trong mạch nguồn, hiệu suất thực tế thường thấp hơn nhiều.

Vào tháng 3 năm 2012, Cree thông báo đã đạt được hiệu suất 208 lm/W cho mẫu LED với nhiệt độ màu 4579 K.

Tuổi thọ của LED

Bán dẫn nói chung và đặc biệt là LED rất bền khi dòng điện nhỏ và ở nhiệt độ thấp. Nhiều LED sản xuất từ những năm 1970-1980 vẫn hoạt động cho đến ngày nay. Tuổi thọ thường từ 25.000 đến 100.000 giờ, nhưng khi nhiệt độ và dòng điện cao thì tuổi thọ sẽ giảm nhanh chóng.

Một trong những hình thức hư hỏng chung của LED (và đèn laser) là sự giảm dần độ sáng và hiệu suất. Mặc dù hư hỏng đột ngột hiếm khi xảy ra, nhưng cũng có thể xảy ra. Các loại LED đỏ đầu tiên có tuổi thọ khá ngắn. Với sự phát triển của LED công suất cao, các LED hiện đại phải chịu nhiệt độ cao hơn và dòng điện lớn hơn so với trước. Điều này có thể làm giảm tuổi thọ nhanh chóng. Để phân loại tuổi thọ của LED, người ta sử dụng các khái niệm L70 và L50, thể hiện thời gian mà hiệu suất chiếu sáng còn 70% và 50%.

Như các loại đèn khác, LED cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Hầu hết các nhà sản xuất đều chỉ ra thông số hiệu suất ở nhiệt độ phòng 25 °C. LED sử dụng ngoài trời, như đèn giao thông hoặc đèn chiếu sáng công cộng, ở nơi có nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao có thể giảm độ sáng hoặc gây hư hỏng.

LED có khả năng tăng độ sáng ở nhiệt độ thấp, thường từ -30 °C tùy từng loại cụ thể. Điều này làm cho LED được lựa chọn để chiếu sáng trong kho lạnh của siêu thị, nơi tuổi thọ cao hơn so với các loại đèn khác. LED ít phát ra nhiệt hơn đèn dây tóc, giúp nó hoạt động hiệu quả hơn trong môi trường có điều hòa không khí. Tuy nhiên, vì ít phát ra nhiệt nên LED không thích hợp sử dụng trong những nơi có tuyết rơi dày. Để giải quyết vấn đề này, có thể thêm mạch điện để tạo sức nóng. Ngoài ra, các nghiên cứu mới đã thành công trong việc tạo ra một loại tản nhiệt truyền nhiệt vào vị trí phù hợp bên trong đèn LED.

Màu sắc và vật liệu của LED

LED truyền thống được làm từ một số chất bán dẫn vô cơ. Bảng dưới đây cung cấp thông tin về các loại màu sắc kèm theo bước sóng, điện áp và vật liệu sử dụng:

LED xanh da trời và LED tia cực tím

LED xanh da trời hiện nay được phát triển từ các chất bán dẫn có vùng cấm rộng như GaN (gali nitride) và InGaN (indi gali nitride). Chúng có thể được kết hợp với LED xanh lá và LED đỏ để tạo ánh sáng trắng, dù hiện nay ít sử dụng phương pháp này cho LED trắng.

LED xanh da trời đầu tiên được phát triển bởi Jacques Pankove bằng chất gallium nitride vào năm 1971 tại RCA Laboratories. Tuy nhiên, độ sáng của nó quá yếu và không thực sự được sử dụng rộng rãi. Sau đó, nghiên cứu về gallium nitride không có nhiều tiến triển. Vào tháng 8 năm 1989, công ty Cree Inc. ra mắt LED xanh da trời đầu tiên sử dụng chất bán dẫn có vùng cấm gián tiếp, silic carbide. LED này có hiệu suất rất thấp, không quá 0.03%.

Vào cuối thập niên 1980, sự phát triển của màng mỏng GaN epitaxial và cấy p-type đã mở ra một kỷ nguyên mới cho các thiết bị quang điện dựa trên GaN. Điều này dẫn đến việc phát triển LED xanh nước biển sáng cao vào năm 1993, do Shuji Nakamura của công ty Nichia Corporation sử dụng gallium nitride.

Vào cuối thập kỷ 1990, LED xanh da trời trở nên phổ biến rộng rãi. Các LED này sử dụng một hoặc nhiều lớp kích hoạt InGaN quantum well được đặt giữa các lớp dày bằng GaN, được gọi là lớp che phủ. Thay đổi tỷ lệ In-Ga trong lớp InGaN quantum wells có thể tạo ra ánh sáng từ màu tím đến màu hổ phách. Tuy nhiên, việc sử dụng AlGaN để làm lớp che phủ và lớp kích hoạt vẫn chưa đạt hiệu suất cao như công nghệ InGaN/GaN (LED xanh lá và xanh da trời).

Với các hợp chất nitride chứa nhôm như AlGaN và AlGaInN, các LED có thể phát ra ánh sáng với bước sóng ngắn hơn tia cực tím. Các LED này đang ngày càng phổ biến trên thị trường, đặc biệt là các đèn soi chống giả và giấy tờ giả với bước sóng từ 375–395 nm. Các diode có bước sóng ngắn hơn 247 nm cũng đã xuất hiện trên thị trường, và dự kiến sẽ được sử dụng trong các thiết bị khử trùng trong tương lai do độ nhạy sáng gần bằng phổ hấp thụ của DNA.

Đã đạt được các bước sóng ngắn hơn tia cực tím trong phòng thí nghiệm với sử dụng nhôm nitride (210 nm), bo nitride (215 nm) và kim cương (235 nm).

Vào năm 2011, Zhong Lin Wang của Viện công nghệ Georgia phát hiện ra rằng sử dụng dây kẽm oxide siêu nhỏ có thể làm tăng hiệu suất của LED áp điện phát tia cực tím lên 4 lần, từ 2% lên 8%.

Tính chất của LED

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp, LED phát ra các bước sóng ánh sáng khác nhau (tức màu sắc khác nhau). Màu sắc của LED hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử trong chất bán dẫn.

LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn so với diode thông thường, khoảng từ 1,5 đến 3 V. Tuy nhiên, LED lại không chịu được điện thế phân cực nghịch cao. Do đó, LED dễ bị hư hỏng do điện thế ngược.

Ứng dụng của LED

Trước đây, một phần rất nhỏ của công nghệ LED được áp dụng trong các lĩnh vực như hiển thị điện tử, đèn quảng cáo, trang trí và đèn giao thông.

Đã có nghiên cứu về các loại LED có độ sáng tương đương với đèn bóng bằng khí neon. Đèn LED cho ánh sáng chiếu sáng được đánh giá là nhẹ, bền và tiết kiệm năng lượng.

Các LED phát ra tia hồng ngoại được sử dụng trong các thiết bị điều khiển từ xa cho các thiết bị điện tử dân dụng.

LED được sử dụng để cung cấp ánh sáng phụ cho cây trồng, đặc biệt vào giai đoạn nảy mầm và ra hoa.

Hiện nay (khoảng từ 2010–2015), tại Việt Nam, công nghệ LED đã có những bước tiến lớn trong việc áp dụng vào thị trường dân dụng và công nghiệp. Đặc biệt là trong các lĩnh vực sau:

• Chiếu sáng dân dụng: Đèn LED được áp dụng mạnh mẽ trong trang trí nội thất hiện đại và cổ điển, trang trí ngoại thất, tiểu cảnh, sân vườn,...
• Chiếu sáng công nghiệp: Mặc dù chi phí cao, nhưng một số nhà doanh nghiệp nước ngoài có tài chính mạnh mới dám chọn giải pháp chiếu sáng bằng công nghệ LED cho các nhà máy sản xuất của họ.

• Laser LED bán dẫn
• Diode laser

Liên kết ngoài