COB LED công suất cao và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng

 Diffusion electric field Điện trường khuếch tán Ec Bottom of the conduction band energy Năng lượng đáy vùng dẫn EFn Fermi level of the semiconductor n Mức Fermi của bán dẫn n EFp Fer

Mục lục

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt 4

Danh mục các bảng 8

Danh mục các hình vẽ và đồ thị 9

Mở đầu 12

Chương 1 Tổng quan về COB LED công suất cao và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng 16

1.1 Lịch sử phát triển điôt phát quang (LED) 16

1.2 Cơ sở vật lý của LED 17

1.2.1 Sự hình thành chuyển tiếp pn - chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng 17

1.2.2 Chuyển tiếp pn ở điều kiện không cân bằng 20

1.2.2.1 Chuyển tiếp pn phân cực thuận 20

1.2.2.2 Chuyển tiếp pn phân cực ngược 22

1.3 Tái hợp phát xạ và tái hợp không phát xạ 22

1.3.1 Tái hợp phát xạ 22

1.3.2 Tái hợp không phát xạ 23

1.4 Điôt phát quang (LED) 25

1.4.1 Cấu trúc 25

1.4.2 Nguyên lý hoạt động 26

1.4.3 Vật liệu chế tạo 27

1.4.4 Phương pháp công nghệ chế tạo LED 28

1.4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các thông số của LED 29

1.4.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp đặt vào 29

1.4.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông 30

1.4.6 Phổ phát xạ 31

1.5 HPCOBLED (High Power Chip On Board Light Emitting Diode) 32

1.6 Ứng dụng 33

Kết luận chương 34

Chương 2 Nghiên cứu các phương pháp đo quang thông của HPCOBLED 35

2.1 Phép đo bức xạ và phép đo trắc quang 35

2.1.1 Quan hệ giữa phép đo trắc quang và phép đo bức xạ 36

2.1.2 Các định nghĩa, đơn vị trong phép đo bức xạ và phép đo trắc quang 36

2.2 Hệ thống màu tiêu chuẩn CIE 38

2.2.1 Phổ công suất 38

2.2.2 Hàm tổng hợp màu 38

2.2.3 Tọa độ màu 40

2.2.4 Không gian màu đồng nhất 41

2.2.5 Trộn màu 42

2.2.6 Nhiệt độ màu CT (Color Temperature) 42

2.2.7 Các nguồn sáng chuẩn theo CIE 44

2.2.7.1 Nguồn sáng chuẩn A 44

2.2.7.2 Nguồn sáng chuẩn D 44

2.2.8 Hệ số hoàn màu (Color Rendering Index - CRI hay ) 45

2.3 Nghiên cứu các phương pháp đo quang thông của HPCOBLED 46

2.3.1 Phương pháp đo quang thông sử dụng quang góc kế - GPM 46

2.3.1.1 Nguyên lý của phương pháp GPM 46

2.3.1.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp GPM 46

2.3.1.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp GPM 47

2.3.2 Phương pháp ISSM 48

2.3.2.1 Nguyên lý của phương pháp ISSM 48

2.3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ISSM 49

2.3.2.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp ISSM 50

2.3.3 Phương pháp ISPM 51

2.3.3.1 Nguyên lý của phương pháp ISPM 51

2.3.3.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ISPM 51

2.3.3.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp ISPM 53

Kết luận chương 53

Chương 3 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và xây dựng hệ đo quang thông HPCOBLED 54

3.1 Phương pháp đo quang thông sử dụng hệ đo quả cầu tích phân kết hợp thiết bị đo phổ bức xạ và quang kế chuẩn 54

3.1.1 Nguyên lý của phương pháp ISSPM 54

3.1.2 Sơ đồ khối của phương pháp ISSPM 55

3.2 Thiết kế, chế tạo và xây dựng hệ đo 56

3.2.1 Thiết kế quả cầu tích phân 56

3.2.1.1 Các yêu cầu kỹ thuật của quả cầu tích phân 56

3.2.1.2 Xác định phần diện tích mở Ai trên quả cầu tích phân 56

3.2.1.3 Thiết kế các tấm chắn sáng 57

3.2.2 Chọn đèn chuẩn phổ 59

3.2.3 Chọn thiết bị đo phổ bức xạ 60

3.2.4 Chọn quang kế chuẩn 60

3.2.5 Chọn nguồn DC 61

3.2.6 Chọn bộ ổn định nhiệt độ (TEC) 61

3.2.7 Xác định các thiết bị phụ trợ đo kiểm soát nguồn DC 61

3.3 Chế tạo quả cầu tích phân và các bộ phận đi kèm 61

3.3.1 Chế tạo quả cầu tích phân 61

3.3.2 Chế tạo các tấm chắn sáng 62

3.3.3 Lắng đọng lớp phủ phản xạ khuếch tán 62

3.3.3.1 Thực nghiệm 63

3.3.3.2 Xác định tỉ lệ dung dịch phun 63

3.3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách phun 65

3.3.3.4 Ảnh hưởng của áp suất phun 67

3.3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ 69

3.4 Lắp đặt hệ đo VMI-PR-001 71

3.5 Hiệu chuẩn hệ đo VMI-PR-001 73

3.5.1 Các bước thực hiện hiệu chuẩn 73

3.5.2 Đánh giá độ ổn định của hệ đo VMI-PR-001 75

3.6 Quy trình hiệu chuẩn quang thông của HPCOBLED 76

3.6.1 Xác định hệ số hiệu chính kabs 76

3.6.2 Quy trình đo quang thông 76

3.7 Kết quả hiệu chuẩn quang thông của HPCOBLED 77

3.7.1 Kết quả xác định hệ số kabs 77

3.7.2 Xác định quang thông của HPCOBED 78

3.7.3 Ước lượng độ không đảm bảo đo 79

3.8 Nghiên cứu tính chất quang điện của HPCOBLED 81

3.8.1 Khảo sát ảnh hưởng dòng If và nhiệt độ đến sự dịch chuyển đỉnh phổ công suất 81

3.8.2 Ảnh hưởng dòng If và nhiệt độ đến các thông số quang 82

3.8.3 Khảo sát ảnh hưởng dòng nuôi và nhiệt độ đến các thông số màu 86

Kết luận chương 87

Chương 4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông của HPCOBLED Mô hình HPCOBLED 88

4.1 Mô hình quang thông phụ thuộc nhiệt độ của Mark W.Hodapp 88

4.1.1 Mô hình Mark W.Hodapp 88

4.1.2 Mô hình Mark W.Hodapp không thể sử dụng đối với HPCOBLED 89

4.2 Mô hình HPCOBLED (High Power COB LED Model) 97

4.2.1 Giả thiết của mô hình HPCOBLED 98

4.2.2 Mô hình HPCOBLED 98

4.3 Đánh giá độ chính xác của mô hình HPCOBLED 99

4.4 Ứng dụng xác định quang thông của HPCOBLED theo nhiệt độ khi hệ đo không sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ (TEC) 101

4.4.1 Phương pháp xác định quang thông theo mô hình HPCOBLED ở Tc = 25 0 C 102

4.4.2 Chuẩn bị thực nghiệm 102

4.4.3 Thực nghiệm 103

4.4.4 Kết quả thực nghiệm và thảo luận 103

Kết luận chương 104

Kết luận 106

Danh mục các công trình 107

Bản quyền và sáng chế 107

Tài liệu tham khảo 109

Phụ lục 114

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các ký hiệu

Ký

hiệu

 Diffusion electric field Điện trường khuếch tán

Ec Bottom of the conduction band energy Năng lượng đáy vùng dẫn

EFn Fermi level of the semiconductor n Mức Fermi của bán dẫn n

EFp Fermi level of the semiconductor p Mức Fermi của bán dẫn p

Ev Top of the valence band energy Năng lượng đỉnh vùng hóa trị

Na Impurity density acceptor Nồng độ tạp chất acceptor

Nc The effective density of states of

the conduction band

Nồng độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn

Nd Impurity density donor Nồng độ tạp chất donor

Nv The effective density of states of

the valence band

Nồng độ trạng thái hiệu dụng trong vùng hoá trị

Ra Color rendering index Hệ số hoàn màu

RAuger Auger recombination rate Tốc độ tái hợp Auger

Rth j-a Thermal resistance from junction to to

ambient

Nhiệt trở từ chuyển tiếp đến môi trường

Danh mục các chữ viết tắt

Ta Ambient temperature Nhiệt độ môi trường

Tc Case temperature Nhiệt độ vỏ (hoặc điểm hàn đối với

HPCOBLED)

Tj Junction temperature Nhiệt độ chuyển tiếp

Tsp Solder point temperature Nhiệt độ điểm hàn

( ) Spectral sensitivity of the human eye

functions

Hàm phổ độ nhạy mắt người

B Blue Màu xanh da trời

CCT Correlated Color Temperature Nhiệt độ màu tương quan

CGPM General Conference on Weights

CIE

International Commission on Illumination (Commission Internationale de LʹEclairge) Ủy ban quốc tế về chiếu sáng CMFs Color matching functions Hàm tổng hợp màu

CNC Computerized Numerically

CRI Color Rendering Index Hệ số hoàn màu

EL Electroluminescence Điện huỳnh quang

EMS Electromagnetic Spectrum Phổ điện từ

GPM Goniophotometer Methhod Phương pháp đo quang thông sử

dụng quang góc kế

HPCOBLED High Power Chip On Board

Light Emitting Diode COBLED công suất cao

IS Integrating Sphere Quả cầu tích phân

ISPM Integrating Sphere Photometer

Method

Phương pháp đo quang thông sử dụng quả cầu tích phân kết hợp với quang kế chuẩn

ISSM Integrating Sphere

Spectroradiometer Method

Phương pháp đo quang thông sử dụng quả cầu tích phân kết hợp với thiết bị đo phổ bức xạ

ISSPM Integrating Sphere

Spectroradiometer Photometer

Phương pháp đo quang thông sử dụng quả cầu tích phân kết hợp với

Method thiết bị đo phổ bức xạ và quang kế

chuẩn

LED Light Emitting Diode Điôt phát quang

MOCVD Metal Organic Chemical Vapor

Deposition

Lắng đọng hóa học từ pha hơi hợp chất cơ kim

NIST National Institute of Standards

and Technology (USA)

Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia (USA)

NMIs National Metrology Instituties Các Viện Đo lường quốc gia

SSL Solid State Lighting Nguồn sáng rắn

TEC Thermo Electric Cooler Bộ làm lạnh

Danh mục các bảng

Bảng 1.1 Tóm tắt đặc trưng màu sắc của LED từ các vật liệu bán dẫn [49] 28

Bảng 2.1 Các đại lượng và đơn vị trong phép đo bức xạ và phép đo trắc quang [16] 37

Bảng 3.1 Các hóa chất sử dụng trong quy trình lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán 63

Bảng 3.2 Tỉ lệ hợp phần dung dịch phun dùng lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán 64

Bảng 3.3 Các thông số công nghệ sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách phun.65 Bảng 3.4 Các thông số công nghệ sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của áp suất phun 67

Bảng 3.5 Các thông số công nghệ của lớp phủ phản xạ khuếch tán có chiều dày khác nhau.69 Bảng 3.6 Quang thông của đèn chuẩn phổ xác định trên hệ VMI-PR-001 74

Bảng 3.7 Giá trị quang thông của đèn chuẩn phổ ở các thời điểm đo khác nhau 76

Bảng 3.8 Kết quả đo dòng quang đối với đèn chuẩn phổ (SCL-1400-E120) 78

Bảng 3.9 Kết quả đo dòng quang của HPCOBLED (216A, S/N: 033) 78

Bảng 3.10 Kết quả xác định quang thông của HPCOBLED (216A, S/N: 033) 79

Bảng 3.11 Độ không đảm bảo đo phép hiệu chuẩn HPCOBLED 79

Bảng 4.1 Kết quả khảo sát sự phụ thuộc quang thông vào nhiệt độ Tc đối với HPCOBLED 90

Bảng 4.2 Giá trị quang thông của các HPCOBLED tính theo mô hình Mark (4.2) 92

Bảng 4.3 Độ chênh lệch nhiệt độ (ΔT) của các HPCOBLED 97

Bảng 4.4 Sự suy giảm công suất của các HPCOBLED theo nhiệt độ Tc 99

Bảng 4.5 Quang thông của các HPCOBLED trên hai đế tản nhiệt 103

Bảng 4.6 Quang thông của các HPCOBLED tại nhiệt độ Tc=25 0C theo mô hình HPCOBLED 104

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Hình 1.1 Quá trình phát triển LED [78] 16

Hình 1.2 Sự hình thành chuyển tiếp pn 17

Hình 1.3 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng nhiệt [25] 18

Hình 1 4 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn phân cực thuận 20

Hình 1 5 Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp pn được làm từ các vật liệu bán dẫn khác nhau 21 Hình 1 6 Giản đồ năng lượng chuyển tiếp pn phân cực ngược 22

Hình 1.7 Tái hợp điện tử - lỗ trống [28] 23

Hình 1.8 Các quá trình tái hợp cặp điện tử và lỗ trống 24

Hình 1.9 Quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống trong mạng tinh thể [28] 25

Hình 1.10 Cấu trúc LED và sơ đồ tương đương 25

Hình 1.11 Quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống phát xạ photon 26

Hình 1.12 Giản đồ biểu diễn các bước sóng của ánh sáng phát xạ trong khoảng bước sóng λ=(0,4 ÷ 1,7) m của các hợp chất AIIIBV[70] 27

Hình 1.13 Sơ đồ mô tả nguyên lý của phương pháp MOCVD [61] 29

Hình 1.14 Đồ thị sự phụ thuộc thông lượng bức xạ vào dòng If [9] 31

Hình 1.15 Đồ thị biểu diễn phân bố năng lượng điện tử và lỗ trống trong 32

Hình 1.16 Cấu trúc của một HPCOBLED điển hình 33

Hình 1.17 Hình ảnh các sản phẩm đèn chiếu sáng được tạo ra từ HPCOBLED [39,45,46] 34

Hình 2.1 Phổ bức xạ điện từ vùng khả kiến [42] 35

Hình 2.2 Hàm độ nhạy của mắt người V(λ) 35

Hình 2.3 Hàm tổng hợp của các hàm ( ), ( ), ( ) [16] 39

Hình 2.4 Hàm tổng hợp màu CIE 1931 [16] 40

Hình 2.5 Giản đồ tọa độ màu CIE 1931 [16] 40

Hình 2.6 Giản đồ nhiệt độ màu CIE 1931 [16] 43

Hình 2.7 Giản đồ nhiệt độ màu tương quan trên hệ CIE 1960 [7,16] 44

Hình 2.8 Đồ thị phân bố công suất của hai nguồn sáng chuẩn CIE [16] 45

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp GPM 47

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý phương pháp ISSM 49

Hình 2 11 Dạng hình học đo 50

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ISPM 52

Hình 2.13 Dạng hình học đo 52

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ đo ISSPM 55

Hình 3.2 Vị trí và kích thước tấm chắn sáng 1 57

Hình 3.3 Kích thước và vị trí tấm chắn sáng 2 58

Hình 3.4 Kích thước và vị trí tấm chắn sáng 3 58

Hình 3.5 Bản vẽ tổng thể quả cầu tích phân đường kính d = 1 m 59

Hình 3.6 Hàm phổ độ nhạy tương đối f1ʹ của quang kế chuẩn [62, 81] 60

Hình 3.7 Bán cầu sau khi hoàn thành gia công cơ khí 62

Hình 3.8 Phổ phản xạ khuếch tán với tỉ lệ hợp phần dung dịch phun khác nhau 64

Hình 3.9 Phổ phản xạ khuếch tán với khoảng cách phun khác nhau 66

Hình 3.10 Ảnh chụp hình thái bề mặt của lớp phủ với khoảng cách phun khác nhau 67

Hình 3.11 Phổ phản xạ với áp suất phun khác nhau 68

Hình 3.12 Ảnh hình thái bề mặt của lớp phủ ở các áp suất phun khác nhau 69

Hình 3.13 Phổ phản xạ với chiều dày lớp phủ khác nhau 70

Hình 3.14 Quy trình công nghệ lắng đọng lớp phủ phản xạ khuếch tán từ vật liệu BaSO4 71 Hình 3.15 Bán quả cầu tích phân sau khi lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán 71

Hình 3.16 Hệ đo VMI-PR-001 sau khi hoàn thành lắp đặt 72

Hình 3.17 Vị trí lắp đặt đèn chuẩn phổ bên trong quả cầu tích phân 73

Hình 3.18 Kết quả hiệu chuẩn phổ công suất 74

Hình 3.19 Kết quả đánh giá độ ổn định hệ thống đo 75

Hình 3.20 Ảnh HPCOBLED được gắn trên đế tản nhiệt TECMount 284 77

Hình 3.21 Phổ công suất của HPCOBLED, (216A, S/N: 033) 79

Hình 3.22 Đồ thị sự phụ thuộc của phổ công suất vào nhiệt độ và dòng If 82

Hình 3.23 Đo nhiệt độ Tc của HPCOBLED 82

Hình 3.24 Đồ thị phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ Tc tại các giá trị dòng If 83

Hình 3.25 Đồ thị phụ thuộc của công suất quang vào nhiệt độ Tc tại các giá trị dòng If. 83

Hình 3.26 Đồ thị phụ thuộc của điện áp theo nhiệt độ Tc tại các giá trị dòng If 84

Hình 3.27 Đồ thị phụ thuộc của công suất tiêu tán vào nhiệt độ Tc tại các giá trị dòng If 85

Hình 3.28 Đồ thị phụ thuộc của hiệu suất phát quang ηv vào nhiệt độ Tc tại các giá trị If 85

Hình 3.29 Sự thay đổi tọa độ màu (x,y) theo nhiệt độ Tc 86

Hình 3 30 Đồ thị phụ thuộc của nhiệt độ tương quan CCT(K) theo nhiệt độ Tc 86

Hình 4.1 Cấu trúc của một LED rời rạc điển hình 88

Hình 4.2 Các điểm nhiệt độ (a) và mô hình nhiệt trở của LED (b) 89

Hình 4.3 Đồ thị phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ của các HPCOBLED 91

Hình 4.4 Đồ thị sự phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ của các HPCOBLED xác định theo mô hình Mark (4.2) 91

Hình 4.5 Sự suy giảm quang thông khi nhiệt độ tăng đối với các HPCOBLED 93

Hình 4.6 Ảnh phân bố nhiệt của các HPCOBLED tại Tc = 25 0C 94

Hình 4.7 Phân bố nhiệt của các HPCOBLED tại Tc = 55 0C 95

Hình 4.8 Phân bố nhiệt của các HPCOBLED tại Tc = 85 0C 96

Hình 4.9 Sơ đồ mặt cắt ngang của một HPCOBLED 97

Hình 4.10 Sơ đồ tương đương (a) và mô hình nhiệt trở của HPCOBLED (b) 98

Hình 4 11 Đồ thị phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ của các HPCOBLED so sánh giữa giá trị thực nghiệm và giá trị tính theo mô hình HPCOBLED 100

Hình 4 12 Đồ thị so sánh kết quả thực nghiệm, kết quả theo mô hình HPCOBLED 101

Hình 4.13 Ảnh HPCOBLED gắn trên hai đế tản nhiệt 103

Mở đầu

Hiện nay, nhân loại đang đứng trước hai thách thức to lớn, đó là sự thiếu hụt năng lượng

và quá trình biến đổi khí hậu toàn cầu Cả hai thách thức này đều có cùng một nguyên nhân

là do nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng Theo thống kê của Cơ quan năng lượng quốc tế (International Energy Agency-IEA), lượng điện năng tiêu thụ sử dụng trong chiếu sáng chiếm khoảng 20% tổng công suất điện tiêu thụ toàn thế giới và tương đương với lượng điện năng được cung cấp từ các nhà máy điện hạt nhân [41] Đối với các nước đang phát triển, năng lượng điện tiêu thụ sử dụng trong chiếu sáng còn lớn hơn Ở Việt Nam điện năng tiêu thụ trong chiếu sáng chiếm khoảng 25,3% tổng tiêu thụ điện năng và nhu cầu sẽ tăng nhanh hơn trong thời gian tới [3] Để giải quyết các vấn đề này, một trong các biện pháp của các quốc gia trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đưa ra là tìm kiếm các nguồn năng lượng mới thân thiện với môi trường song song với các giải pháp tiết kiệm năng lượng, đặc biệt trong công nghệ chiếu sáng

Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, công nghệ chế tạo nguồn sáng rắn (Solid State Lighting - SSL) ngày càng phát triển cho phép nhận được các sản phẩm có công suất cao, quang thông lớn, hiệu suất phát quang cao và bề mặt phát sáng rộng [4,11,28,35,36,38,39,51,65,75] Một trong những sản phẩm này là Chip

on Board Light-Emitting Diode công suất cao (HPCOBLED) và hiện nay chúng được ứng dụng hết sức rộng rãi trong công nghệ chiếu sáng So với các nguồn sáng truyền thống, HPCOBLED có hàng loạt các ưu điểm vượt trội như ánh sáng tạo ra có nhiều màu sắc, có hiệu suất phát quang cao, thời gian sống dài và đặc biệt thân thiện với môi trường Có thể khẳng định rằng, trong tương lai các sản phẩm nguồn sáng rắn sẽ thay thế hoàn toàn các nguồn sáng truyền thống [17,27,30,39,45,46,52,66,69,73,76]

Để có thể kiểm soát chất lượng của LED, vấn đề quan tâm hàng đầu là độ chính xác của các phép đo trắc quang dùng để đánh giá các thông số của chúng Tuy nhiên, các phép đo trắc quang đối với LED lại phụ thuộc rất nhiều vào các đặc trưng của LED như phổ công suất, phân bố cường độ sáng, quang thông,… Các thông số này lại dễ bị ảnh hưởng bởi chế

độ làm việc của LED như dòng nuôi và nhiệt độ Hơn nữa, HPCOBLED có tính chất quang điện phức tạp hơn so với LED, đặc biệt quang thông của HPCOBLED có sự suy giảm mạnh ở dòng nuôi If lớn và nhiệt độ cao [6,9,17,31,36,44,52,55,56,64,69,81,85-89]

Vì vậy, hiện nay các nhà khoa học đang tập trung phát triển các hệ đo, các phương pháp đo mới để nâng cao độ chính xác phép đo trắc quang đối với LED nói chung và HPCOBLED nói riêng

Hiện nay, trên thị trường ở Việt Nam có rất nhiều LED rời rạc và HPCOBLED được nhập khẩu từ các nhà sản xuất khác nhau Tuy nhiên, hầu hết các sản phẩm này, đặc biệt là các HPCOBLED đều chưa được đánh giá các thông số ban đầu Có thể thấy, các nghiên cứu về LED chủ yếu tập trung ở các cơ sở khoa học và công nghệ như Trường Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Bách Khoa Hà Nội,Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các công ty sản xuất đèn,… Ở các

cơ sở này, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào công nghệ chế tạo ra các linh kiện LED và các sản phẩm nguồn sáng rắn

Một thực tế hiện nay là, để tính toán thiết kế chế tạo các sản phẩm nguồn sáng rắn từ HPCOBLED, các dữ liệu ban đầu đều được lấy từ nhà sản suất công bố tại Tc = 25 0C và một trong các thông số đặc trưng của HPCOBLED được sử dụng để tính toán là đại lượng quang thông Tuy nhiên, các sản phẩm được tạo ra từ HPCOBLED có kết quả không giống như cách tính toán đối với LED rời rạc Điều này cho phép chúng ta nhận ra rằng có sự khác biệt lớn giữa LED rời rạc và HPCOBLED

Như vậy, có thể thấy rằng, một trong các vấn đề cần quan tâm nhất hiện nay trong lĩnh vực đo lường quang là cần phải có các phương pháp đo quang thông chính xác và khả năng xác định quang thông của COBLED ở các điều kiện thực Đây cũng là cơ sở để chúng tôi lựa chọn nội dung nghiên cứu của bản luận án này

Tên đề tài luận án: Nghiên cứu, phát triển phương pháp đo quang thông HPCOBLED (High Power Chip On Board Light Emitting Diode) và ứng dụng trong điều kiện thực

Mục đích nghiên cứu của luận án

1 Tổng quan về HPCOBLED và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng

2 Nghiên cứu phát triển phương pháp đo quang thông của HPCOBLED có độ chính xác cao

3 Xây dựng hệ đo quang thông của HPCOBLED có độ chính xác cao cho mục đích hiệu chuẩn, đo thử nghiệm (có độ không đảm bảo đo mở rộng U ≤ 3%, hệ số phủ

k = 2 với mức tin cậy P = 95%)

4 Nghiên cứu tính chất quang điện của HPCOBLED trên hệ đo đã xây dựng

5 Nghiên cứu phát triển mô hình HPCOBLED mô tả chính xác sự phụ thuộc quang thông của HPCOBLED vào nhiệt độ

6 Nghiên cứu ứng dụng mô hình HPCOBLED để xác định quang thông của HPCOBLED trong điều kiện thực

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

1 Nghiên cứu phương pháp đo quang thông của HPCOBLED và xây dựng hệ đo có

độ chính xác cao bao gồm:

 Thiết kế, chế tạo quả cầu tích phân đường kính d = 1 m có cấu hình dạng hình học đo 2 và 4; lắng đọng lớp phủ có độ phản xạ khuếch tán cao sử dụng vật liệu BaSO4 lên trên bề mặt bên trong quả cầu tích phân

 Lựa chọn thiết bị ngoại vi, tích hợp các thiết bị ngoại vi, xây dựng phần mềm đo quang thông

 Đánh giá độ chính xác và độ ổn định hệ đo đã xây dựng

2 Khảo sát ảnh hưởng của dòng nuôi If và nhiệt độ Tc đến tính chất quang điện của các HPCOBLED

3 Nghiên cứu phát triển mô hình HPCOBLED nâng cao độ chính xác sự phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ Tc

4 Nghiên cứu ứng dụng mô hình HPCOBLED trong điều kiện thực để xác định quang thông của HPCOBLED ở nhiệt độ Tc = 25 0C và nhiệt độ Tc bất kì

Phương pháp nghiên cứu

Trong công trình này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với đoán nhận lí thuyết để phát triển mô hình HPCOBLED

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

 Phát triển phương pháp đo quang thông của HPCOBLED có độ chính xác cao (ISSPM) ở Việt Nam

 Hoàn thiện công nghệ lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán cho quả cầu tích phân

 Chế tạo thành công quả cầu tích phân có đường kính d = 1 m, có lớp phản xạ khuếch tán R ~ 98%, độ thăng giáng phản xạ ΔR ≤ 1,5% trong khoảng bước sóng

λ = (380 ÷ 780) nm sử dụng trong hệ đo quang thông ở Việt Nam

 Xây dựng phát triển thành công hệ đo quang thông HPCOBLED có độ chính xác cao và phát triển phần mềm đo quang thông VMI_PRLab

 Nghiên cứu phát triển đưa ra mô hình HPCOBLED mô tả sự suy giảm quang thông của HPCOBLED khi nhiệt độ Tc tăng

 Đã nghiên cứu ứng dụng mô hình HPCOBLED để xác định giá trị quang thông của HPCOBLED tại Tc = 25 0C và ở nhiệt độ Tc bất kì trên hệ đo không sử dụng thiết

bị ổn định nhiệt độ (Thermoelectric Cooler-TEC)

sử dụng thiết bị ổn định nhiệt độ (TEC) trong điều kiện thực

Kết cấu của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt, danh mục các bảng, danh mục các hình vẽ, danh mục các công trình đã công bố của luận án, phụ lục và tài liệu tham khảo, nội dung luận án được trình bày trong bốn chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về HPCOBLED và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng Chương 2 Nghiên cứu các phương pháp đo quang thông của HPCOBLED

Chương 3 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và xây dựng hệ đo quang thông của HPCOBLED Chương 4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông của HPCOBLED

Mô hình HPCOBLED

Chương 1 Tổng quan về COB LED công suất cao và các ứng dụng trong

công nghệ chiếu sáng

1.1 Lịch sử phát triển điôt phát quang (LED)

Bức tranh về sự phát triển công nghệ LED so sánh với các nguồn sáng truyền thống được biểu diễn trên hình 1.1 dưới đây

Hình 1.1 Quá trình phát triển LED [78]

Từ hình 1.1 có thể thấy, quá trình phát triển LED có các mốc phát triển quan trọng sau đây: Điôt phát quang (Lighting Emitting Diode - LED) được nghiên cứu phát triển trên cơ sở hiện tượng điện huỳnh quang (electroluminescence - EL) do H.J.Round phát hiện ra vào năm 1907 khi ông nghiên cứu vật liệu SiC [28,66,70,73]

Năm 1950, việc tìm ra các bán dẫn hợp chất nhóm AIII

BV đã mở ra khả năng to lớn trong ứng dụng hiệu ứng quang điện trong công nghệ LED [25,26,28,73,82]

Năm 1962, lần đầu tiên các nhà khoa học đã chế tạo thành công LED có ánh sáng màu

đỏ bằng phương pháp lắng đọng lớp bán dẫn GaAsP trên đế GaAs Cùng trong thời gian này, N.Holonyak cũng nhận thấy, khi thay đế GaAs bằng GaP thì LED cho hiệu suất phát quang cao hơn [28]

LED thương mại đầu tiên ra đời vào nửa đầu thập kỷ 1960 và tiếp tục phát triển trong những thập kỷ 1970 và 1980 [28,33,65,70,73]

Năm 1992, Akasaki và cộng sự đã chế tạo thành công LED phát quang trong vùng UV

và xanh da trời với hiệu suất đạt được khoảng ~ 1% trên cơ sở vật liệu GaN [51]

Thời gian, năm

Đèn Thomas Edison

Năm 1995, Nakamura đã chế tạo thành công LED phát quang màu xanh lá cây từ bán dẫn InGaN và đạt hiệu suất khoảng ~ 10% [66,75,77]

Có thể thấy, việc chế tạo thành công các LED phát ra các ánh sáng đỏ, xanh da trời và xanh lá cây đã bao phủ hầu hết phổ màu sắc mà mắt người có thể cảm nhận được

Cũng cần lưu ý rằng, sự phát triển của LED trên cơ sở vật liệu InGaN là tiền đề để chế tạo LED ánh sáng trắng Thật vậy, năm 2006, giáo sư người Nhật Nakamura đã được nhận giải thưởng Công nghệ thiên niên kỷ (Millennium Technology) cho phát minh LED ánh sáng trắng [75,77]

Những năm gần đây, các hãng Cree Inc, Philips, Osram,… đã nghiên cứu và chế tạo thành công LED ánh sáng trắng có công suất cao lên đến P ~ 180 W, quang thông đạt

Фv ~ 16000 lm và hiệu suất phát quang đạt lên đến v ~ 140 lm/W [39,45,48]

1.2 Cơ sở vật lý của LED

1.2.1 Sự hình thành chuyển tiếp pn - chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng

Một chuyển tiếp pn (còn gọi là chuyển tiếp điện tử - lỗ trống) sẽ hình thành nếu trong một tinh thể bán dẫn thuần nhất, bằng một phương pháp công nghệ nào đó, chúng ta nhận được hai miền bán dẫn, một miền pha tạp acceptor (miền p) và một miền tiếp xúc với nó pha tạp donor (miền n) Ranh giới tiếp xúc của hai miền này được gọi là tiếp xúc công nghệ hay là tiếp xúc luyện kim [5,8]

Thật vậy, hãy xem xét bức tranh hình thành một chuyển tiếp pn trên hình 1.2

Hình 1.2 Sự hình thành chuyển tiếp pn

Dễ dàng thấy rằng, miền p (có nhiều lỗ trống) tiếp xúc với miền n (có nhiều điện tử), sẽ dẫn đến ở vùng lân cận tiếp xúc công nghệ xuất hiện một chênh lệch nồng độ các hạt tải Các lỗ trống sẽ khuếch tán từ miền p sang miền n và ngược lại, các điện tử sẽ khuếch tán

từ miền n sang miền p Quá trình khuếch tán này sẽ phá vỡ sự trung hòa về điện ở các miền trên và sự phá vỡ này sẽ xuất hiện ở gần tiếp xúc công nghệ Kết quả là, ở miền p sẽ xuất hiện các nguyên tử bị ion hóa mang điện tích âm, còn ở miền n xuất hiện các nguyên tử bị ion hóa mang điện tích dương dẫn đến hình thành một vùng điện tích không gian ở hai phía tiếp xúc công nghệ

Hãy xét một chuyển tiếp pn lý tưởng, nghĩa là ở nhiệt độ ion hóa, các hạt dẫn cơ bản xuất hiện do sự ion hóa tạp chất Vì vậy, có thể coi như nồng độ điện tử trong bán dẫn loại

không gian

n cân bằng nồng độ tạp chất donor và nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại p cân bằng nồng

độ tạp chất acceptor Như vậy, nồng độ của điện tử và lỗ trống hình thành được biểu diễn theo biểu thức sau [5,8,25]

p = Na (1.2)

ở đây, Nd là nồng độ tạp chất donor và Na là nồng độ tạp chất acceptor

Ngoài các hạt dẫn cơ bản, trong bán dẫn tạp chất còn chứa các hạt dẫn thiểu số (các hạt dẫn không cơ bản), nói cách khác, trong bán dẫn loại n có chứa một số lỗ trống với nồng

độ pn và trong bán dẫn loại p có chứa một số điện tử với nồng độ np Nồng độ hạt tải trong một chất bán dẫn bất kỳ có thể được xác định từ định luật khối lượng hiệu dụng và được biểu diễn theo biểu thức sau [8,25]:

(1.3) với ni là nồng độ hạt tải trong bán dẫn thuần tương ứng được xác định ở cùng một điều kiện nhiệt độ

Nếu nồng độ tạp chất Nd và Na bằng nhau thì hai miền điện tích không gian ở hai phía của tiếp xúc công nghệ sẽ có độ rộng bằng nhau, có trị số điện tích cân bằng và chúng tạo thành một vùng nghèo

Khi chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng, hình thành một điện thế còn gọi là thế khuếch tán Vbi và tương ứng với nó là hàng rào thế năng có giá trị bằng eVbi, trong đó e là điện tích

Sự hình thành vùng điện tích không gian lân cận tiếp xúc công nghệ sẽ làm xuất hiện một điện trường gọi là điện trường khuếch tán Điện trường này có chiều chống lại quá trình khuếch tán của điện tử từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và của lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n

Dưới tác dụng của điện trường khuếch tán, mức năng lượng EFn của bán dẫn n hạ thấp xuống, còn mức năng lượng EFp của bán dẫn p dịch lên phía trên Quá trình dịch chuyển các mức năng lượng này sẽ dừng lại khi mức năng lượng Fermi của bán dẫn p trùng với mức năng lượng Fermi của bán dẫn n Kết quả là chúng ta có, giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở trạng thái cân bằng được biểu diễn như trên hình 1.3

Hình 1.3 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng nhiệt [25]

Từ hình 1.3, có thể xác định thế khuếch tán theo biểu thức sau:

Ở nhiệt độ ion hóa, nồng độ điện tử trong bán dẫn n ở điều kiện cân bằng no được xác định theo biểu thức sau [25]:

*( )+ (1.5) với Nc là nồng độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn, EF là năng lượng Fermi, Ei là năng lượng Fermi của bán dẫn thuần, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ (Kelvin)

Từ đây, chúng ta có thể xác định thế φFn trong bán dẫn loại n theo biểu thức sau [25]:

(1.6) Thay biểu thức (1.6) vào biểu thức (1.5) có thể xác định được nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng trong bán dẫn loại n như sau:

* ( )

+ (1.7) Thay biểu thức (1.1) vào biểu thức (1.7), thế được xác định theo biểu thức sau: ( ) (1.8)

Tương tự, trong bán dẫn loại p, nồng độ lỗ trống ở điều kiện cân bằng po được xác định theo biểu thức sau:

*( )

+ (1.9) trong đó, Na là nồng độ tạp chất acceptor

và thế φFp trong vùng bán dẫn loại p được xác định theo biểu thức sau:

(1.10) hay là: ( ) (1.11)

Cuối cùng, thay biểu thức (1.8) và biểu thức (1.11) vào biểu thức (1.4), chúng ta có thể xác định được thế khuếch tán của một chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng:

Dễ dàng thấy rằng, chiều dày vùng điện tích không gian của chuyển tiếp pn được xác

định như là tổng các chiều dày vùng điện tích không gian trong bán dẫn loại n và loại p,

hay là:

L = Ln+Lp (1.16) Thay các biểu thức (1.14) và (1.15) vào biểu thức (1.16), chiều dày vùng điện tích

không gian của chuyển tiếp pn được xác định theo biểu thức sau:

√ * + (1.17) trong đó, ԑ là hằng số điện môi của bán dẫn

Hình 1.3, cũng cho thấy:

eVbi - Eg (EC - EF)  ( EF - EV) = 0 (1.18)

Dễ dàng thấy rằng, trong trường hợp bán dẫn có nồng độ pha tạp cao sẽ dẫn đến chênh

lệch các mức năng lượng EC, EV và mức Fermi trở nên không đáng kể so với năng lượng

vùng cấm Hay là EC - EF << Eg ở miền n và EF - EV << Eg ở miền p Hay là, thế khuếch tán sẽ gần bằng năng lượng vùng cấm chia cho điện tích e Thế

khuếch tán này có thể được xem như là điện áp ngưỡng Vth và được xác định theo biểu

thức sau [25]:

Vbi ≈ Vth ≈ Eg /e (1.19)

1.2.2 Chuyển tiếp pn ở điều kiện không cân bằng

1.2.2.1 Chuyển tiếp pn phân cực thuận

Khi đặt một điện áp Vf vào chuyển tiếp pn với cực dương đặt lên bán dẫn p và cực âm

đặt lên bán dẫn n, ta nói rằng chuyển tiếp pn được phân cực thuận Khi đó, điều kiện cân

bằng của chuyển tiếp pn sẽ bị phá vỡ Trong trường hợp này, điện áp V đặt vào sẽ suy

giảm một đại lượng Vf và bằng (Vbi - Vf), tương ứng với chiều cao rào thế là e(Vbi - Vf)

Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở điều kiện phân cực thuận được biểu diễn trên

hình 1.4

Hình 1 4 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn phân cực thuận

trong đó, diff là điện trường khuếch tán

Như vậy, biểu thức (1.17) có thể được biểu diễn lại như sau [25]:

(√ √ ) ( ( )

) (1.23) Đặc trưng I-V của các vật liệu bán dẫn khác nhau tại nhiệt độ T = 300 K, được biểu diễn trên hình 1.5

Hình 1 5 Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp pn được làm từ các vật liệu bán dẫn khác nhau

Từ hình 1.5, dễ dàng nhận thấy, ứng với mỗi một loại vật liệu bán dẫn khác nhau có điện áp ngưỡng khác nhau

Điện áp (V)

1.2.2.2 Chuyển tiếp pn phân cực ngược

Nếu đặt lên chuyển tiếp pn một điện áp ngược VR, nghĩa là cực dương đặt lên trên bán dẫn n và cực âm đặt lên bán dẫn p, ta nói chuyển tiếp pn phân cực ngược

Trong trường hợp này, có thể thấy, điện trường ngoài cùng chiều điện trường khuếch tán và điện trường tổng cộng sẽ tăng lên dẫn đến chiều cao rào thế đối với các hạt dẫn cơ bản tăng lên một lượng eVR Giản đồ năng lượng chuyển tiếp pn phân cực ngược được biểu diễn trên hình 1.6 dưới đây

Hình 1 6 Giản đồ năng lượng chuyển tiếp pn phân cực ngược

Trong trường hợp này, điện thế tổng Vt được xác định theo biểu thức sau đây [25]:

| | | | (1.24) hay

trong đó, VR là điện áp ngược

Như vậy, khi chuyển tiếp pn phân cực ngược thì chiều dày vùng điện tích không gian tăng Trong trường hợp này, theo biểu thức (1.17) xác định chiều dày vùng điện tích không gian được viết lại như sau:

√ ( )

1.3 Tái hợp phát xạ và tái hợp không phát xạ

Trong chất bán dẫn, điện tử và lỗ trống có thể tái hợp và quá trình này có thể phát xạ hoặc không phát xạ Trong thực tế, cả hai quá trình tái hợp phát xạ và không phát xạ luôn đồng thời tồn tại Tuy nhiên, đối với các linh kiện phát quang rắn, cần phải tối ưu hóa quá trình tái hợp phát xạ và giảm thiểu quá trình tái hợp không phát xạ

nuôi Các hạt tải dư này có thể tham gia vào quá trình tái hợp khi có một điện tử trong vùng dẫn đến gần với lỗ trống trong vùng hóa trị Trong quá trình tái hợp, điện tử - lỗ trống kết hợp tạo thành một cặp và một năng lượng nào đó sẽ được giải phóng Ví dụ, một điện

tử nào đó định xứ ở đáy vùng dẫn có thể tái hợp với một lỗ trống nào đó định xứ ở đỉnh vùng hóa trị (hình 1.7) Ở đây, chúng ta quan tâm đến sự suy giảm nồng độ hạt tải Để mô

tả cho sự suy giảm nồng độ hạt tải, người ta đưa ra khái niệm tốc độ tái hợp R Như đã biết, xác suất tái hợp cặp điện tử - lỗ trống tỉ lệ với nồng độ của chúng, nghĩa là Rp (hoặc n) Như vậy, R sẽ tỉ lệ với tích nồng độ điện tử và lỗ trống hay là R  pn và R có thể xác định theo biểu thức sau [28]:

(1.25) trong đó, B là hệ số tái hợp

Hình 1.7 Tái hợp điện tử - lỗ trống [28]

Đối với các bán dẫn vùng cấm thẳng, các điện tử tự do định xứ gần đáy vùng dẫn có thể tái hợp trực tiếp với các lỗ trống định xứ gần đỉnh vùng hóa trị và quá trình này dẫn đến phát xạ photon Ngược lại, đối các bán dẫn vùng cấm xiên, do các hạt tải có động lượng khác nhau nên xác suất xảy ra quá trình tái hợp trực tiếp là rất nhỏ và quá trình này sẽ tạo ra dao động

và làm tăng nhiệt độ mạng tinh thể Vì vậy, tái hợp không phát xạ nhìn chung là tái hợp không mong muốn đối với linh kiện phát quang do hai nguyên nhân: cặp hạt tải bị mất đi khi không có ánh sáng phát ra và cấu trúc tinh thể bị nóng lên

1.3.2 Tái hợp không phát xạ

Quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống mà không có sự phát xạ photon thì được gọi là tái hợp không phát xạ Trong trường hợp này, năng lượng điện tử được chuyển thành các dao động mạng tinh thể và được gọi là phonon Như vậy, năng lượng điện tử sẽ được chuyển thành năng lượng nhiệt

Có nhiều nguyên nhân để giải thích quá trình tái hợp không phát xạ Nguyên nhân chủ yếu là do có sự sai hỏng cấu trúc tinh thể và ngoài ra, có thể do tái hợp mức sâu

Một cơ chế tái hợp không phát xạ quan trọng đó là tái hợp Auger [28,70] Trong quá trình này, năng lượng sinh ra bởi tái hợp cặp điện tử - lỗ trống được giải phóng bằng cách kích thích một điện tử dịch chuyển lên cao hơn trong vùng dẫn hoặc kích thích lỗ trống dịch chuyển xuống sâu hơn trong vùng hóa trị Trong trường hợp này, các hạt tải được kích thích bởi phonon và mất dần năng lượng cho đến khi chúng đạt được năng lượng gần bằng năng lượng đáy vùng dẫn hoặc năng lượng đỉnh vùng hóa trị

Tốc độ tái hợp Auger RAuger được biểu diễn bởi các biểu thức sau đây [28]:

trong đó, Cp và Cn tương ứng là các hệ số Auger của lỗ trống và điện tử

Có thể thấy, tái hợp Auger tỉ lệ với bình phương nồng độ hạt tải bởi vì quá trình này cần hai hạt tải cùng loại dẫn Như vậy, có thể thấy, quá trình thứ nhất xảy ra ở các bán dẫn loại

p do có nhiều lỗ trống (biểu thức 1.26) và quá trình thứ hai xảy ra ở các bán dẫn loại n do

có nhiều điện tử (biểu thức 1.27)

Trong quá trình tái hợp Auger, do sự sai khác cấu trúc vùng năng lượng ở vùng dẫn và vùng hóa trị nên các hệ số Cp và Cn là không giống nhau Trong trường hợp giới hạn kích thích cao, tức là khi các hạt tải được kích thích có nồng độ cao hơn các hạt tải cân bằng, biểu thức mô tả tốc độ tái hợp Auger được xác định lại như sau [28]:

( ) (1.28) trong đó C được gọi là hệ số Auger

Biểu thức (1.28) cho thấy, quá trình tái hợp Auger sẽ làm suy giảm hiệu suất phát quang của vật liệu Nguyên nhân là do tốc độ tái hợp RAuger tỉ lệ với lập phương nồng độ hạt tải

Hệ số Auger thường dao động trong khoảng (10-28 ÷ 10-29) cm6/s đối với các bán dẫn hợp chất AIIIBV [28]

Cần lưu ý rằng, trong không gian vectơ sóng k, chúng ta có thể biểu diễn năng lượng của điện tử và lỗ trống theo hàm số E(k) và có dạng parabol ở gần cực trị (Hình 1.8) Do cấu trúc và phân bố nguyên tử khác nhau trong tinh thể nên các trạng thái năng lượng của điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị phân bố có các cực trị khác nhau trong không gian E(k)

Hình 1.8 Các quá trình tái hợp cặp điện tử và lỗ trống

a) Quá trình tái hợp thẳng (tái hợp trực tiếp) b) Quá trình tái hợp xiên (tái hợp gián tiếp)

Nếu như cực tiểu năng lượng vùng dẫn nằm ở k = 0 và cực đại năng lượng vùng hóa trị cũng xảy ra ở k = 0 thì sự chuyển dịch điện tử là thẳng hay trực tiếp (hình 1.8a) Khi các cực đại vùng hóa trị và cực tiểu vùng dẫn không nằm ở cùng giá trị k, thì sự chuyển dời điện tử sẽ là xiên (hay là gián tiếp) (hình 1.8b) và sự chuyển dời này không theo quy tắc chọn lọc Δk = 0 Vì vậy, quá trình tái hợp này cần phải có sự tham gia của hạt thứ 3, đó là phonon để đảm bảo quy tắc bảo toàn xung lượng hay quy tắc chọn lọc vectơ sóng k

Có thể quan sát các quá trình tái hợp phát xạ và tái hợp không phát xạ như biểu diễn trên hình 1.9 dưới đây Hình 1.9 mô tả quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống trong mạng tinh thể Có thể thấy, quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống phát xạ photon (hình 1.9a) và không phát xạ mà chuyển thành dao động mạng tinh thể (hình 1.9b)

Hình 1.9 Quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống trong mạng tinh thể [28]

a) Quá trình tái hợp phát xạ ra photon b) Quá trình tái hợp không phát xạ hình thành dao động mạng

1.4 Điôt phát quang (LED)

Có thể thấy, một điôt phát quang LED về bản chất là một chuyển tiếp pn Khi đặt một điện áp thuận thì chuyển tiếp pn sẽ phát sáng Theo các thông báo của các tác giả trong [28,70], hầu hết các LED thương mại là các chuyển tiếp pn có nồng độ pha tạp cao kiểu đột ngột và có năng lượng photon phát ra xấp xỉ bằng năng lượng vùng cấm hν  Eg

1.4.1 Cấu trúc

Một cấu trúc điển hình của LED được biểu diễn trên hình 1.10

Hình 1.10 Cấu trúc LED và sơ đồ tương đương

a) Cấu trúc, b) Sơ đồ tương đương

Lỗ trống (a) (b)

GaN (p) Vùng hoạt động GaN (n) GaN (lớp đệm)

Đế Sapphia

Cấu trúc này thường bao gồm các thành phần sau đây (xem hình 1.10):

Đế: thường được làm từ sapphire (thành phần chính là α-Al2O3, ngoài ra có bổ sung thêm các nguyên tố Fe, Ti, Cr, Cu,…);

Lớp đệm (buffer layer);

Lớp bán dẫn loại n: lớp này thường sử dụng vật liệu GaN-n;

Lớp bán dẫn loại p: lớp này thường sử dụng vật liệu GaN-p;

Điện cực: Điện cực dương (bán dẫn p), điện cực âm (bán dẫn n)

1.4.2 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của LED có thể mô tả một cách đơn giản như sau:

Khi đặt một điện áp thuận vào LED (cực dương đặt vào bán dẫn p và cực âm đặt vào bán dẫn n) khi đó LED sẽ phân cực thuận và hình thành một điện trường trong vùng điện tích không gian của chuyển tiếp pn Điện trường này sẽ định hướng cho các dòng điện tử

và dòng lỗ trống dịch chuyển qua tiếp xúc công nghệ Dòng điện tử chuyển dời từ lớp bán dẫn n sang lớp bán dẫn p và dòng lỗ trống chuyển dời từ lớp bán dẫn p sang lớp bán dẫn n Khi các hạt tải này chuyển dời đến tiếp xúc công nghệ sẽ xảy ra quá trình tái hợp cặp điện

tử - lỗ trống Quá trình tái hợp này sẽ dẫn đến điện tử dịch xuống mức năng lượng thấp hơn

và giải phóng năng lượng dưới dạng photon

Quá trình phát xạ photon sẽ phát ra ánh sáng như được minh họa trên hình 1.11

Hình 1.11 Quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống phát xạ photon

a) Sơ đồ phân cực, b) Giản đồ năng lượng

1.4.3 Vật liệu chế tạo

Các vật liệu để chế tạo các LED trong vùng ánh sáng nhìn thấy được sử dụng chủ yếu hiện nay là các hợp chất bán dẫn nhóm AIIIBV trên cơ sở các hợp chất như GaAs và GaP hoặc GaAs1-yPy Khi y < 0,45 hợp chất GaAs1-yPy là bán dẫn có vùng cấm thẳng và có bước sóng được phát xạ từ  = 630 nm và có màu đỏ (y = 0,45, GaAs0,55P0,45) đến  = 870 nm (y = 0, GaAs) [28,70] Đối với y > 0,45 thì hợp chất GaAs1-yPy là bán dẫn vùng cấm xiên Trong trường hợp này, quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống sẽ sinh ra các dao động tinh thể và không phát xạ photon Để quá trình tái hợp phát xạ photon cần phải pha các tạp chất không dẫn điện, thường là nguyên tố Nitơ Lúc này, các nguyên tử N sẽ thay thế một

số nguyên tử P trong mạng tinh thể và do các nguyên tử N và P có cùng hóa trị nên chúng không hình thành các acceptor hoặc các donor

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, điện tích hạt nhân của N và P là khác nhau Hạt nhân của nguyên tử N có ít điện tử che chắn hơn nguyên tử P, do đó các điện tử dẫn ở gần nguyên tử

N sẽ bị hút và bị giữ lại ở các nút mạng tinh thể và các nguyên tử N này sẽ định xứ một mức năng lượng EN có thể bẫy điện tử ở sát đáy vùng dẫn Khi một điện tử dẫn bị giam giữ lại ở mức năng lượng EN, nó có thể tái hợp với một lỗ trống ở vùng hóa trị và kết quả là phát xạ ra một photon Có thể thấy, năng lượng photon phát xạ ra nhỏ hơn rất ít so với năng lượng Eg do mức EN định xứ ngay gần đáy vùng dẫn Ec Do quá trình tái hợp này phụ thuộc vào hàm lượng N pha tạp nên nó không hiệu quả như tái hợp trực tiếp Vì vậy, hiệu suất phát quang của LED sử dụng bán dẫn GaAs1-yPy vùng cấm xiên pha tạp N thấp hơn trường hợp LED sử dụng bán dẫn GaAs1-yPy có vùng cấm thẳng

Các hợp chất GaAs1-yPy có cấu trúc vùng cấm xiên pha tạp N thường được sử dụng rộng rãi trong các LED phát xạ ánh sáng xanh, vàng và da cam Các bước sóng phát xạ của LED phụ thuộc vào hợp chất bán dẫn sử dụng và được biểu diễn trên hình 1.12

Có thể thấy rằng, bước sóng hay màu sắc của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào năng lượng vùng cấm của vật liệu hν = Eg

Hình 1.12 Giản đồ biểu diễn các bước sóng của ánh sáng phát xạ trong khoảng bước sóng

λ=(0,4 ÷ 1,7) m của các hợp chất A III B V [70]

Để nhận được các màu sắc khác nhau, các LED truyền thống được chế tạo từ nhiều loại vật liệu bán dẫn khác nhau Dưới đây là một số vật liệu bán dẫn chế tạo LED có các màu sắc khác nhau (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Tóm tắt đặc trưng màu sắc của LED từ các vật liệu bán dẫn [49]

Màu sắc Bước sóng

Hồng ngoại λ > 760 nm Gallium arsenide (GaAs)

Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)

Đỏ 610 < λ < 760

Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP)

Cam 590 < λ < 610

Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP)

Vàng 570 < λ < 590

Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP)

Cực tím λ < 400

Kim cương (235 nm) Boron nitride (215 nm) Aluminium nitride (AlN) (210 nm) Aluminium gallium nitride (AlGaN)

Trắng Phổ rộng Điốt xanh da trời/UV kết hợp với lớp phủ cho màu vàng

1.4.4 Phương pháp công nghệ chế tạo LED

Có rất nhiều phương pháp chế tạo LED Hiện nay phương pháp được sử dụng phổ biến hơn cả là phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học từ hợp chất cơ kim MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) [61] hay còn gọi là công nghệ MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)

Công nghệ MOCVD sử dụng các hợp chất cơ kim như trimethyl gallium hay trimethyl aluminum làm các tiền chất để lắng đọng các màng mỏng Cũng có thể sử dụng các vật liệu là hợp phần có chứa các nguyên tố gallium, indium, aluminum, nitrogen, photpho hay arsenic

Nguyên lý của phương pháp MOCVD khá đơn giản và được minh họa trên hình 1.13 Quá trình này sử dụng phản ứng vận chuyển để vận chuyển các phân tử hữu cơ (tiền chất) bằng khí mang (N2, H2) đến vùng có nhiệt độ thích hợp trong buồng phản ứng Trong buồng phản ứng, các tiền chất này hoặc phân ly hoặc phản ứng với hợp chất khác để hình thành nên các màng mỏng đơn nguyên tố hay hợp chất và lắng đọng lên đế Phần dư thừa không mong muốn sau phản ứng sẽ được khí mang mang đi hay bám vào thành buồng phản ứng Thay đổi thành phần của vật liệu tiền chất và vật liệu pha tạp chúng ta sẽ nhận được các màng mỏng có thành phần mong muốn

Hình 1.13 Sơ đồ mô tả nguyên lý của phương pháp MOCVD [61]

1.4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các thông số của LED

1.4.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp đặt vào

Như đã biết, năng lượng phát xạ của các photon trong vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm Eg được xác định theo biểu thức sau:

hν  Eg (1.29) Trường hợp LED, khi điện tử được kích thích bởi điện áp V sẽ phát xạ ra photon có năng lượng được xác định như sau:

với ν là tần số

Khí mang

Sản phẩm phụ Chất không bị

hấp phụ ở bề mặt

Phản ứng

pha khí

Lớp hợp chất bán dẫn nhóm AIIIBV

Năng lượng của điện tử sẽ chuyển thành năng lượng quang khi quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống xảy ra và được biểu diễn bởi biểu thức sau đây:

(1.31) Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp đặt vào LED được mô tả theo biểu thức sau [9,28]:

Có thể thấy, thành phần thứ nhất của vế phải biểu thức (1.32) mô tả sự dịch chuyển của các mức Fermi EFn và EFp về giữa vùng cấm hay là quá trình phân cực thuận của chuyển tiếp pn Rõ ràng là quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ và sẽ xảy ra nhanh hơn khi nhiệt

độ gia tăng Trong lúc đó, thành phần thứ hai của vế phải biểu thức (1.32) lại mô tả sự thay đổi năng lượng độ rộng vùng cấm Eg khi nhiệt độ thay đổi Sự thay đổi này được Varshni

mô tả lại theo biểu thức sau [84]:

Vf sẽ bị chi phối chủ yếu bởi sự thay đổi năng lượng của độ rộng vùng cấm Eg(T) hay là bởi số hạng thứ hai trong biểu thức (1.32)

Nhiệt độ chuyển tiếp TJ là nhiệt độ lớn nhất mà tại nhiệt độ này LED sẽ làm việc Nhiệt

độ TJ được xác định theo biểu thức sau đây [46,79]:

(1.34) trong đó, là nhiệt trở từ tiếp xúc công nghệ của chuyển tiếp pn đến điểm đo Tc, P

là công suất tiêu tán và Tc là nhiệt độ tại điểm đo

1.4.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông

Theo thông báo trong [6], quang thông của LED phụ thuộc rất mạnh vào dòng nuôi If và nhiệt độ chuyển tiếp TJ Ngoài ra, đại lượng này còn phụ thuộc vào các thông số của vật liệu như mật độ sai hỏng, nồng độ tạp chất, Có thể sử dụng các mô hình lí thuyết khác nhau để mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông của LED Sự suy giảm quang thông khi nhiệt độ tăng đã được Mark W Hodapp đề cập đến [64]

Như đã lưu ý ở trên, hiệu suất phát quang của LED phụ thuộc vào dòng If Vì vậy, khi phát xạ là 100% thì hiệu suất phát quang của LED sẽ tỉ lệ thuận với dòng khi mỗi cặp điện

tử - lỗ trống tái hợp để tạo ra một photon Tuy nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, khi dòng điện tăng thì hiệu suất phát quang của LED lại giảm Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng rơi hiệu suất (Droop Effect) Hiệu ứng “rơi hiệu suất” được nhiều tác giả giải thích bởi sự hiện diện đồng thời của nhiều quá trình tái hợp hạt tải như tái hợp Auger, tái hợp bề mặt hay tái hợp tại các sai hỏng của mạng tinh thể [9,28,83] Đồ thị sự phụ thuộc của thông lượng bức xạ (radiant flux) vào dòng If được biểu diễn trong hình 1.14

Hình 1.14 Đồ thị sự phụ thuộc thông lượng bức xạ vào dòng I f [9]

1.4.6 Phổ phát xạ

Quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống được mô tả như trên hình 1.7 Có thể thấy, các điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị có phân bố năng lượng theo hàm parabol và được biểu diễn theo các biểu thức sau [28]:

Đối với điện tử:

( ) (1.35) Đối với lỗ trống:

( ) (1.36) trong đó, , là khối lượng hiệu dụng tương ứng của điện tử và lỗ trống và k là véc

tơ sóng của hạt tải

Theo phân bố Boltzmann, điện tử và lỗ trống có động năng trung bình là kT Định luật bảo toàn năng lượng đã chỉ ra rằng, năng lượng photon có giá trị bằng chênh lệch giữa hai mức năng lượng của điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị và được xác định bởi biểu thức sau [28]:

(1.37) trong đó, là năng lượng của điện tử và là năng lượng của lỗ trống

Như vậy, có thể thấy, năng lượng của photon sẽ xấp xỉ bằng năng lượng vùng cấm Eg

nếu như năng lượng nhiệt rất nhỏ so với năng vùng cấm (hay là kT  Eg)

Như vậy, chúng ta có thể lựa chọn vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm phù hợp để nhận được các photon có bước sóng mong muốn Đồ thị biểu diễn phân bố năng lượng của

điện tử và lỗ trống trong quá trình tái hợp phát xạ photon được biểu diễn trên hình 1.15

Hình 1.15 Đồ thị biểu diễn phân bố năng lượng điện tử và lỗ trống trong

quá trình tái hợp phát xạ photon [28]

1.5 HPCOBLED (High Power Chip On Board Light Emitting Diode)

HPCOBLED có nhiều ưu điểm vượt trội so với các LED rời rạc như: có quang thông lớn, hiệu suất phát quang cao, diện tích phát quang rộng, khả năng thoát nhiệt cao và có thể định vị trực tiếp lên đế tản nhiệt, có ánh sáng phát ra được xem như là một bề mặt phát sáng [35, 46, 63]

Các HPCOBLED được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghệ chiếu sáng, đặc biệt trong môi trường đòi hỏi mức sáng cao như chiếu sáng trong nhà, chiếu sáng đường phố, nhà xưởng, sân thể thao,…Thông thường các HPCOBLED có công suất từ 5 W trở lên Hiện nay, người ta có thể chế tạo ra HPCOBLED có công suất đạt tới P ~ 180 W [39, 45, 48] Tuy nhiên, khi làm việc, HPCOBLED thường sinh ra nhiệt lượng rất cao so với các LED rời rạc và đây cũng là nguyên nhân gây ra nhiều khó khăn trong việc đánh giá tính chất, nghiên cứu khảo sát và xác định chính xác các thông số quang của chúng

HPCOBLED là tổ hợp nhiều chip LED có kích thước nhỏ được định vị trực tiếp trên một đế (board) được làm bằng gốm, nhôm hoặc đồng Một HPCOBLED có cấu trúc điển hình như biểu diễn trên hình 1.16 Từ hình 1.16, có thể thấy cấu trúc điển hình của HPCOBLED bao gồm các thành phần sau đây:

4) Lớp bảo vệ (silicon)

5) Các đường dẫn điện nối các LED chip

6) Các điện cực (vàng)

Hình 1.16 Cấu trúc của một HPCOBLED điển hình

a) Cấu trúc HPCOBLED đã đóng gói b) Ảnh điển hình một HPCOBLED c) Sơ đồ tương đương

1.6 Ứng dụng

Tùy theo mỗi ứng dụng cụ thể, các HPCOBLED có cấu trúc khác nhau Chúng có công suất khác nhau cho các ứng dụng trong chiếu sáng như chiếu sáng trong nhà, chiếu sáng

LED chip Lớp vỏ Silicon

công cộng, sân thể thao, nhà xưởng,… Một số hình ảnh ứng dụng của LED được minh họa trên hình 1.17

Hình 1.17 Hình ảnh các sản phẩm đèn chiếu sáng được tạo ra từ HPCOBLED [39,45,46]

Kết luận chương

Trong chương này, chúng tôi đã tổng quát và hệ thống hóa các vấn đề sau đây:

1) Các thông tin và các kiến thức cơ bản liên quan đến LED nói chung và HPCOBLED nói riêng

2) Nguyên lý hoạt động cấu trúc và ứng dụng của HPCOBLED

3) Vật liệu và công nghệ chế tạo LED và HPCOBLED

4) Ảnh hưởng nhiệt độ đến các thông số của LED và HPCOBLED

Có thể thấy rằng, vì tính chất quang điện của HPCOBLED phức tạp nên rất khó có thể xác định chính xác được các thông số quang của chúng bằng các phương pháp đo đang sử dụng Đây cũng là lý do tại sao luận án này hướng tới nghiên cứu phương pháp xác định quang thông và xây dựng hệ đo để xác định và khảo sát chính xác các thông số quang của HPCOBLED

Chương 2 Nghiên cứu các phương pháp

đo quang thông của HPCOBLED 2.1 Phép đo bức xạ và phép đo trắc quang

Để nghiên cứu các tính chất quang của HPCOBLED, hãy xem xét lại các phép đo thường được sử dụng để nghiên cứu linh kiện này

Phép đo bức xạ là phép đo bức xạ quang học trong dải phổ bức xạ điện từ có tần số

f = (3.1011 ÷ 3.1016) Hz, tương ứng dải bước sóng từ λ = (10 nm ÷ 1000 ) Phổ bức xạ điện từ được biểu diễn như hình 2.1

Hình 2.1 Phổ bức xạ điện từ vùng khả kiến [42]

Năm 1931, Ủy ban quốc tế về chiếu sáng (CIE) đã đưa ra hàm V(λ) là hàm phổ độ nhạy của mắt người trong vùng bước sóng  = (380  780) nm như biểu diễn hình 2.2 [16]

Hình 2.2 Hàm độ nhạy của mắt người V(λ)

a) Mức sáng thấp (scotopic), b) Mức sáng cao (photopic) [16]

Từ hình 2.2, chúng ta có thể thấy, ở điều kiện chiếu sáng có mức sáng cao (photopic) thì mắt người có độ nhạy sáng lớn nhất ở bước sóng  = 550 nm (hình 2.2b) Ngược lại, với mức sáng thấp (scotopic) thì độ nhạy của mắt người lại có xu hướng dịch về phía bước sóng ngắn UV (hình 2.2a)

Phép đo trắc quang là phép đo các thông số ánh sáng trong vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng λ = (380 ÷ 780) nm

Chúng ta sẽ xem xét mối liên hệ cũng như bản chất của hai phương pháp đo này trong mục dưới đây

2.1.1 Quan hệ giữa phép đo trắc quang và phép đo bức xạ

Sự khác biệt giữa phép đo bức xạ và phép đo trắc quang là phép đo bức xạ được thực hiện trong toàn bộ dải phổ bức xạ quang học, còn phép đo trắc quang chỉ thực hiện ở trong vùng phổ khả kiến thông qua độ nhạy của mắt người Vì vậy, để thực hiện phép đo trắc quang cho độ chính xác cao, chúng ta cần phải đưa vào phép đo này đặc trưng thị giác của mắt người

Như đã thông báo trong [16], có thể thấy, các bộ thu quang có dạng hàm phổ độ nhạy V(λ) sẽ thay thế vai trò mắt người trong phép đo trắc quang Mối liên hệ giữa phép đo trắc quang và phép đo bức xạ biểu diễn bởi biểu thức sau:

trong đó, là đại lượng trong phép đo trắc quang, là đại lượng trong phép đo bức

xạ, là hằng số mô tả mối liên hệ giữa đại lượng phép đo trắc quang và đại lượng phép

đo bức xạ và có giá trị Km = 683 (lm/W) [16]

2.1.2 Các định nghĩa, đơn vị trong phép đo bức xạ và phép đo trắc quang

Trong phần này, chúng ta hãy lần lượt xem xét các định nghĩa và các đơn vị trong phép đo bức xạ và phép đo trắc quang

Đơn vị cơ bản trong phép đo trắc quang là đơn vị cường độ sáng và thường được gọi

là candela (cd) Candela là đơn vị cơ bản trong hệ SI Năm 1979, Hội nghị cân đo quốc

tế (CGPM) đã thông qua định nghĩa mới về candela như sau: Candela là cường độ sáng của bức xạ đơn sắc có tần số f = 540.1012 Hz theo một hướng cho trước và có cường độ bức xạ theo hướng đó bằng 1/683 (W/sr) [13,16]

1) Liên hệ giữa cường độ sáng trong phép đo trắc quang và cường độ bức xạ trong phép

đo bức xạ được xác định theo biểu thức sau:

∫ ( ) (2.2) trong đó, Ie, là cường độ bức xạ (W/sr), Iv là cường độ sáng (lm/sr)

2) Thông lượng bức xạ là sự biến thiên năng lượng bức xạ của một nguồn bức xạ trên một đơn vị thời gian và được xác định theo biểu thức sau:

3) Quang thông của một nguồn sáng được xác định thông qua thông lượng bức xạ

và hàm phổ độ nhạy mắt người ( ) theo biểu thức sau [16]:

6) Độ chói là tỉ số giữa cường độ sáng và diện tích mặt chiếu, đơn vị độ chói là cd/m2

7) Hiệu suất phát quang là sự chuyển đổi công suất quang thành quang thông và được xác định bằng tỉ số giữa quang thông và công suất quang theo biểu thức sau:

∫ ( ) ( )

∫ ( ) (2.6) trong đó, ( ) là hàm phân bố công suất

8) Hiệu suất phát sáng của nguồn sáng được xác định bởi tỉ số giữa quang thông và công suất tiêu tán, được xác định theo biểu thức sau:

∫ ( ) ( ) (2.7) Bảng 2.1 dưới đây biểu diễn các đại lượng và đơn vị của chúng được sử dụng trong phép đo trắc quang và phép đo bức xạ

Bảng 2.1 Các đại lượng và đơn vị trong phép đo bức xạ và phép đo trắc quang [16]

Thông lượng chiếu sáng,

2.2 Hệ thống màu tiêu chuẩn CIE

Ủy ban quốc tế về chiếu sáng CIE đã đưa ra hệ thống màu tiêu chuẩn và thường được gọi là hệ thống màu tiêu chuẩn CIE Hệ thống màu tiêu chuẩn CIE cung cấp những phương pháp tiêu chuẩn để cảm nhận màu trong điều kiện chiếu sáng và góc nhìn chuẩn Trong hệ thống CIE, sử dụng các đại lượng chính trong việc cảm nhận màu sau đây [7,10,16,28]:

1) Phổ công suất của nguồn sáng;

2) Phổ phản xạ (của vật thể);

3) Hàm tổng hợp màu CMFs (Color Matching Functions)

Sau đây, chúng ta sẽ lần lượt xem xét các đại lượng này

2.2.1 Phổ công suất

Phổ công suất của nguồn sáng còn được gọi là phân bố năng lượng phát xạ của nguồn sáng Trong trường hợp này, nguồn sáng được đặc trưng bởi phân bố công suất và được ký hiệu là S() Phổ công suất được đo bằng thiết bị đo phổ bức xạ hoặc cũng có thể được đo thông qua một đại lượng khác như nhiệt độ màu

2.2.2 Hàm tổng hợp màu

Như đã biết, cấu tạo của mắt người có hai loại tế bào nhạy sáng để giúp con người cảm nhận được hình ảnh, đó là tế bào hình que và tế bào hình nón [16,40] Các tế bào hình nón hoạt động để cảm nhận màu sắc ban ngày hoặc khi có đủ độ sáng còn các tế bào hình que lại nhạy với sự thay đổi độ sáng và cho phép nhìn vào ban đêm hoặc trong điều kiện thiếu sáng Các tế bào hình nón lại được chia thành ba loại khác nhau, mỗi loại có thể cảm nhận riêng biệt với các bước sóng ngắn, trung bình và dài tương ứng trong vùng phổ xanh tím, xanh lục và đỏ

Năm 1931, CIE đã đưa ra một tập hợp các hàm tổng hợp màu (CMFs) và được công nhận là các hàm tiêu chuẩn Trước đó, năm 1930, Wright và Guild [16,53] đã thực hiện độc lập về thực nghiệm quan sát để thu được các hàm CMFs khi sử dụng ba màu cơ bản là R(Red), G(Green) và B(Blue)

Thành phần quan trọng nhất trong hệ thống màu chuẩn CIE là hàm tổng hợp màu CMFs Hàm CMFs xác định bằng cách tổng hợp màu của mắt người khi quan sát sự tổng hợp màu dựa trên các màu cơ bản là đỏ, xanh lục và xanh tím, xác định tương ứng bởi các hàm ̅( ), ̅( ) và ̅( ), mô tả các thông số kích thích màu ở các bước sóng tương ứng

 = 700 nm (red),  = 546,1 nm (green) và  = 435,8 nm (blue) Hàm tổng hợp màu là hàm giá trị cơ bản cần thiết để kiểm tra sự đơn sắc của các hàm cơ bản

Hàm tổng hợp màu của các hàm ̅( ), ̅( ) và ̅( ) được biểu diễn trên hình 2.3

Hàm tổng hợp màu CIE RGB là hàm thể hiện số lượng của ba màu cơ bản R, G và B cần thiết để tạo nên các màu trong vùng phổ tương ứng với vùng khả kiến có khoảng bước sóng  = (380  780) nm

Như vậy, từ các hàm tổng hợp màu có thể xác định các giá trị ba màu kích thích R, G và

B với hàm công suất S() theo các biểu thức sau [16,22]:

∫ ( ) ̅( ) (2.8) ∫ ( ) ̅( ) (2.9) ∫ ( ) ̅( ) (2.10)

Hình 2.3 Hàm tổng hợp của các hàm ̅( ), ̅ ( ), ̅( ) [16]

Năm 1931, CIE đã chuyển đổi hàm CIE RGB sang một hàm mới được gọi là hàm CIE

1931 qua phép biến đổi tuyến tính sau [16]:

| |

̅( ) ̅( ) ̅( )

| (2.11)

Hàm tổng hợp màu CIE 1931 thu được dựa trên quy luật của tổng hợp màu cộng và được mô tả trên hình 2.4 Các hàm tổng hợp màu ̅( ), ̅ ( ) và ̅( ) tương ứng phù hợp với các hàm phổ nhạy của mắt người khi quan sát ba màu cơ bản R, G và B

Giá trị ba màu kích thích với hàm công suất S() trong hệ CIE 1931 có thể xác định được theo các biểu thức sau [16]:

∫ ( ) ̅( ) (2.12) ∫ ( ) ̅( ) (2.13) ∫ ( ) ̅( ) (2.14)

Hình 2.4 Hàm tổng hợp màu CIE 1931 [16]

2.2.3 Tọa độ màu

Tọa độ màu đặc trưng cho nguồn sáng và không phụ thuộc vào cường độ sáng CIE đã chuẩn hóa giá trị ba màu kích thích X,Y và Z nhằm đưa ra khái niệm tọa độ màu Một màu được biểu diễn bằng tọa độ (x,y) trong giản đồ màu như biểu diễn trên hình 2.5 và được gọi là giản đồ màu CIE 1931

Hình 2.5 Giản đồ tọa độ màu CIE 1931 [16]