ĐÈN LED HỒNG NGOẠI

LED hồng ngoại (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là diode phát sáng) 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.

LED xanh da trời và LED trắng

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 hồng ngoại “tiếp xúc trong suốt” có công suất, hiệu suất cao bằng cách dùng Indi thiếc ôxít.

Xem thêm: Quang phổ hồng ngoại

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 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, 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 LED nói chung đã đóng góp cho sự phát triển song song giữa các công nghệ bán dẫn, khoa học vật liệu và quang học. Người ta đã đặt tên nó là định luật Haitz, lấy từ tên của tiến sĩ Roland Haitz.

Năm 2001 và 2002, quy trình cấy GaN lên chất nền SiO₂ 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 SiO₂ 6inch(15.24 cm) thay vì tấm đế Saphia(Nhôm ôxít) 2inch(5.08 cm) sẽ làm giảm 90% giá thành.

Nguyên lý hoạt động

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 các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, 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).

Hầu hết các vật liệu 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 trích xuất ánh sáng từ LED cũng rất quan trọng, cần rất nhiều sự nghiên cứu và phát triển.

Chiết suất

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

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

Những phô ton 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 phô ton. 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.