Nguyên lý hoạt động của Diode phát quang LED

Chip LED cũng giống như một điốt PN thông thường, nhưng nó có đặc tính phát sáng. Cấu tạo và hoạt động của nó có thể được giải thích như sau.

Nguyên lý hoạt động của LED

Giống như một diode thông thường, diode LED hoạt động khi nó được phân cực thuận. Trong trường hợp này, chất bán dẫn loại n bị pha tạp nhiều hơn loại p tạo thành tiếp giáp p-n. Khi nó bị phân cực thuận, hàng rào điện thế bị giảm đi và các điện tử và lỗ trống kết hợp ở lớp suy giảm (hay lớp hoạt động), ánh sáng hoặc photon được phát ra hoặc bức xạ theo mọi hướng. Hình vẽ điển hình dưới đây cho thấy sự phát xạ ánh sáng do cặp lỗ trống điện tử kết hợp theo xu hướng thuận.

Để giải thích sự phát xạ của các photon trong một diode LED ta sử dụng Lý thuyết vùng năng lượng của chất rắn. Theo lý thuyết này, việc kết hợp lỗ trống – điện tử sẽ cho ra các photon hay không phụ thuộc vào việc vật liệu có vùng cấm trực tiếp hay vùng cấm gián tiếp (vùng trống/khoảng trống trực tiếp và gián tiếp).

Vùng cấm trực tiếp

Những vật liệu bán dẫn có vùng cấm trực tiếp là những vật liệu phát ra photon. Trong vật liệu có vùng cấm trực tiếp, đáy của mức năng lượng của vùng dẫn nằm ngay trên mức năng lượng trên cùng của vùng hóa trị trên biểu đồ Năng lượng và Động lượng (vectơ sóng ‘k’). Khi electron và lỗ trống kết hợp lại, năng lượng E = hν ứng với khe hở năng lượng △ (eV) được thoát ra dưới dạng năng lượng ánh sáng hoặc photon trong đó h là hằng số Planck và ν là tần số ánh sáng.

Vùng cấm gián tiếp

Trong khi vùng cấm gián tiếp có bản chất là không bức xạ vì đáy của vùng dẫn không trùng với đỉnh của vùng hóa trị và năng lượng tương ứng với khoảng trống năng lượng chủ yếu được đưa ra dưới dạng nhiệt. Ví dụ như Si, Ge, v.v.

Các vật liệu sử dụng trong LED

Ví dụ về vật liệu có vùng cấm trực tiếp là Gali Arsenide (GaAs), một chất bán dẫn hợp chất là vật liệu được sử dụng trong đèn LED. Các nguyên tử Dopant được thêm vào GaAs để tạo ra nhiều màu sắc. Một số vật liệu được sử dụng trong đèn LED là:

Nhôm Gali Arsenide (AlGaAs) – tia hồng ngoại.
Gali Asen Phosphide (GaAsP) – đỏ, cam, vàng.
Nhôm Gali Phosphide (AlGaP) – màu xanh lá cây.
Indium Gallium Nitride (InGaN) – xanh lam, lam – lục, gần tia cực tím.
Kẽm Selenide (ZnSe) – màu xanh lam.

Cấu trúc vật lý của LED

Đèn LED được cấu tạo theo cách để ánh sáng phát ra không bị tái hấp thu vào vật liệu. Vì vậy, nó được đảm bảo rằng sự tái kết hợp electron-lỗ trống diễn ra trên bề mặt.

Hình trên cho thấy hai cách khác nhau của cấu trúc tiếp giáp p-n LED. Lớp loại p được tạo thành mỏng và được trồng trên chất nền loại n. Các điện cực kim loại được gắn ở hai bên của lớp tiếp giáp p-n đóng vai trò là các nút cho kết nối điện bên ngoài. Lớp tiếp giáp p-n của điốt phát quang được bọc trong một hộp trong suốt hình vòm để ánh sáng được phát ra đồng đều theo mọi hướng và giảm thiểu hiện tượng phản xạ bên trong.

Thông thường LED có 2 chân, nhưng cũng có các cấu hình 3, 4 và 6 chân để có được nhiều màu trong cùng một gói đèn LED.

Định mức dòng điện của LED là vài chục mA. Do đó, cần phải mắc nối tiếp một điện trở cao với nó. Điện áp giảm chuyển tiếp của LED lớn hơn nhiều so với điốt thông thường và vào khoảng 1,5 đến 3,5 vôn.

Đèn LED ánh sáng trắng

Đèn LED đang trở nên rất phổ biến ngày nay vì hiệu suất rất cao của đèn LED về sản lượng ánh sáng trên một đơn vị công suất đầu vào (tính bằng miliWatts), so với bóng đèn sợi đốt. Vì vậy, đối với chiếu sáng mục đích chung, ánh sáng trắng được ưu tiên. Để tạo ra ánh sáng trắng với sự trợ giúp của đèn LED, hai phương pháp được sử dụng:

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 đèn LED một màu với phốt pho có màu khác để tạo ra ánh sáng trắng. Phương pháp này phổ biến về mặt thương mại để sản xuất bóng đèn LED và đèn chiếu sáng.