THIẾT kế và mô PHỎNG HOẠT ĐỘNG của LED BẰNG PHẦN mềm CHUYÊN DỤNG ATLAS (có code)

THIẾT kế và mô PHỎNG HOẠT ĐỘNG của LED BẰNG PHẦN mềm CHUYÊN DỤNG ATLAS (có code)

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA LED BẰNG PHẦN MỀM

CHUYÊN DỤNG ATLAS

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU X DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT XI CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI THẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG

CỦA LED BẰNG PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG ATLAS 1

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 2

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ LED 3

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT BÁN DẪN 3

2.1.1 Chất bán dẫn 3

2.1.2 Bán dẫn loại P-N 3

2.1.3 Dải năng lượng trong chất bán dẫn 7

2.2 GIỚI THIỆU VỀ DIODE BÁN DẪN 8

2.2.1 Giới thiệu chung về diode bán dẫn 8

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 9

2.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LED 12

2.4 CẤU TẠO BÓNG ĐÈN LED 13

2.5 CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA LED 14

2.6 CẤU TRÚC GIẾNG LƯỢNG TỬ 16

2.6.1 Kỹ thuật Bandgap 17

2.6.2 Kỹ thuật biến đổi nămg lượng vùng cấm 18

2.7 CẤU TRÚC NHIỀU GIẾNG LƯỢNG TỬ 18

2.8 CƠ CHẾ PHÁT QUANG CỦA LED 20

2.9 PHÂN LOẠI ĐÈN LED THÔNG DỤNG 20

2.9.1 Đèn LED thu nhỏ 20

2.9.2 Đèn LED downlight 20

2.9.6 Đèn đường LED 22

2.10 SO SÁNH GIỮA LED, OLED VÀ QUANTUM LED 23

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ATLAS 25

3.1 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ATLAS 25

3.1.1 Cấu trúc chung đầu vào và đầu ra trong phần mềm ATLAS 25

3.1.2 Cách hoạt động của phầm mềm ATLAS 26

3.1.3 Chế độ tương tác với môi trường DECKBUID 26

3.1.4 Chạy phần mềm ATLAS bên trong môi trường DECKBUILD 27

3.1.5 Truy cập các ví dụ 27

3.1.6 Cú pháp trong phần mềm ATLAS 27

3.1.7 Các câu lệnh và tham số trong phần mềm ATLAS 28

3.1.8 Menu lệnh của DECKBUILD 29

3.1.9 Thứ tự câu lệnh trong một tập tin ATLAS 29

3.1.10 Bắt đầu với PISCES-II 30

3.2 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT KẾ VÀ GIAO DIỆN CỦA ATLAS 31

3.3 CÚ PHÁP CÂU LỆNH KHI MÔ PHỎNG LED 32

3.4 CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN TRONG ATLAS CHO LED 38

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 40

4.1 CHIA LƯỚI DẠNG HÌNH TRỤ VÀ HÌNH CHỮ NHẬT 40

4.2 KHẢO SÁT CẤU TRÚC CỦA QLED 43

4.2.1 Khảo sát cấu trúc QLED bằng việc thay đổi số lượng giếng lượng tử 43

4.2.2 Khảo sát QLED thông qua việc thay đổi nồng độ 45

4.3 SO SÁNH GIỮA LED, OLED VÀ QLED 47

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 51

5.1 KẾT LUẬN 51

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

HÌNH 2-2: RÀO ĐIỆN THẾ TẠI MỐI NỐI [1] 5

HÌNH 2-3: HƯỚNG DI CHUYỂN DÒNG ĐIỆN PHÂN CỰC THUẬN TRONG LỚP P-N [1] 6

HÌNH 2-4: RÀO ĐIỆN THẾ PHÂN CỰC THUẬN TẠI MỐI NỐI [1] 6

HÌNH 2-5: HƯỚNG DI CHUYỂN DÒNG ĐIỆN PHÂN CỰC NGỊCH TRONG LỚP P-N [1] 7

HÌNH 2-6: CẤU TRÚC NĂNG LƯỢNG CỦA ĐIỆN TỬ TRONG MẠNG NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT BÁN DẪN [2] 8

HÌNH 2-7: ĐIỆN ÁP TIẾP XÚC HÌNH THÀNH [3] 9

HÌNH 2-8: DIODE PHÂN CỰC THUẬN P-N [3] 10

HÌNH 2-9: DIODE PHÂN CỰC NGHỊCH P-N [3] 10

HÌNH 2-10: ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE CỦA MÔT DIODE BÁN DẪN LÝ TƯỞNG [3] 11

HÌNH 2-11: CÁC LẠI LED CÔNG SUẤT THẤP VÀ TRUNG BÌNH 12

HÌNH 2-12: CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA BÓNG ĐÈN LED [5] 13

HÌNH 2-13: CƠ CHẾ PHÁT QUANG CỦA LED [9] 14

HÌNH 2-14: MÔ HÌNH TỔNG QUÁT BIỂU HIỆN CÁC HIỆN TƯỢNG PHÁT XẠ TỰ PHÁT, HẤP THỤ VÀ PHÁT XẠ KÍCH THÍCH [6] 15

HÌNH 2-15: PHÁT XẠ TỰ PHÁT [6] 16

HÌNH 2-16: CẤU TẠO CỦA LỚP GIAO P-N LED [7] 16

HÌNH 2-17: SƠ ĐỒ NĂNG LƯỢNG CỦA GIẾNG LƯỢNG TỬ GAN/INGAN/GAN VỚI HẠT ELECTRON VÀ TÁI TỔ HỢP BỨC XẠ [7] 17

HÌNH 2-18: LED VỚI MQW [8] 18

HÌNH 2-21: LED THU NHỎ [10] 20

HÌNH 2-22: LED DOWNLIGHT [10] 21

HÌNH 2-23: LED CHIẾU ĐIỂM [10] 21

HÌNH 2-24: ĐÈN LED TUÝP [10] 22

HÌNH 2-25: ĐÈN LED SÂN KHẤU [10] 22

HÌNH 2-26: ĐÈN ĐƯỜNG LED [10] 23

HÌNH 3-1: CẤU TRÚC ĐẦU VÀO VÀ ĐẦU RA CỦA PHẦN MỀM ATLAS [11] 26 HÌNH 3-2: VÍ DỤ TRONG MÔI TRƯỜNG DECKBUILD TRONG PHẦN MỀM ATLAS 27

HÌNH 3-3: NĂM NHÓM CÂU LỆNH CHÍNH 29

HÌNH 3-4: BIỂU TƯỢNG SEDA TOOLS 31

HÌNH 3-5: PHẦN MỀM DECKBUILD 31

HÌNH 3-6: PHẦN MỀM DECKBUILD 32

HÌNH 4-1: CẤU TRÚC LED DẠNG TRỤ VÀ CHỮ NHẬT 40

HÌNH 4-2: ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP VỚI LED CHIA LƯỚI THEO DẠNG TRỤ VÀ CHỮ NHẬT 41

HÌNH 4-3: CÔNG SUẤT PHÁT RA CỦA LED CHIA LƯỚI DẠNG TRỤ VÀ CHỮ NHẬT 41

HÌNH 4-4: DÒNG CHẢY CỦA DÒNG ĐIỆN VỚI MIỀN TRỤ VÀ CHỮ NHẬT .42 HÌNH 4-5: MÔ PHỎNG DẠNG LED CÓ 5 GIẾNG LƯỢNG TỬ (5QW) 43

HÌNH 4-6: ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP VỚI SỐ LƯỢNG QW KHÁC NHAU 44

HÌNH 4-7: CÔNG SUẤT PHÁT RA CỦA QLED CÓ SỐ LƯỢNG GIẾNG LƯỢNG TỬ KHÁC NHAU 45

HÌNH 4-9: MÔ PHỎNG DẠNG LED BÌNH THƯỜNG 48 HÌNH 4-10: MÔ PHỎNG DẠNG LED CÓ 3 GIẾNG LƯỢNG TỬ (3QW) 49 HÌNH 4-11: ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP VỚI LED, QLED VÀ QLED 49 HÌNH 4-12: CÔNG SUẤT PHÁT RA CỦA` LED, QLED VÀ QLED 50

BẢNG 4-1: THÔNG SỐ CỦA LED NHIỀU GIẾNG LƯỢNG TỬ 43 BẢNG 4-2: THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ DOPING 45 BẢNG 4-3: THÔNG SỐ CỦA LED VÀ QLED MÔ PHỎNG 48

QW Quantum Wells

MQW Multil Quantum Wells

IQE Internal Quantum Efficiency

LED Light Emitting Diode

PSD Power Spectral Density

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI THẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA LED BẰNG PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG

ATLAS

1.1 Giới thiệu chung

LED (Light-emitting diode – Diode bức xạ ánh sáng ) là một diode, nó chứa mộtbán dẫn có pha các tạp chất với nhau để tạo ra lớp tiếp giáp P-N

Đèn LED có lịch sử lâu đời từ năm 1907 khi nhà vật lý người Anh phát hiện đượccác tinh thể carbide silicon có thể tạo ra ánh sáng khi bị dòng điện đi qua Sau nàycông nghệ LED được nhà khoa học Oleg Losev phát minh ra ở Nga vào năm 1920.Bóng đèn LED đã được giới thiệu mang tính thương mại đầu tiên ở tại Mỹ năm

1962 Kể từ đó công nghệ đèn LED được gắn liền với sự phát triển công nghệ chiếunền trong những chiếc TV, và sau này được mở rộng ra thêm dành cho các lĩnh vựckhác

Ngành công nghệ LED đã phát triển ngày càng mạnh mẽ Những tính chất riêng có

đã quy định đặc thù của công nghệ đèn LED và tạo nên những ưu điểm khiến LED

có thể hơn các công nghệ chiếu sáng trước đây Khả năng tiêu thụ điện năng củaLED thấp hơn so với các ánh sáng bình thường So với bóng đèn CFL và bóng đèndây tóc, đèn LED có hiệu quả gấp 4 lần so với bóng đèn huỳnh quang, tiết kiệmđược chi phí, so với đèn chiếu thông thường Thân thiện với môi trường, không cótia cực tím, tia hồng ngoại Giảm thiểu tối đa chì cho các mối nối hàn Nhiệt độ làmviệc cao hơn môi trường chỉ từ 5 đến 8 độ Thấp hơn đèn huỳnh quang khoảng 13đến 25 độ Tuổi thọ đèn LED vượt quá 50.000 giờ

Công suất ngày càng tăng nhưng hiệu suất, độ tin cậy vẫn đạt được mức có thể chấpnhận Việc phát minh và phát triển LED trắng công suất cao nhanh chóng thay thếđèn dây tóc, đèn huỳnh quang LED ngày nay đa số là cỡ 5mm và 3mm

Bằng cách sử dụng LED, ảnh hưởng từ các chiếu sáng gây ô nhiễm có thể hạn chế

Do yêu cầu công suất thấp, đèn LED có thể được hỗ trợ nhờ năng lượng mặt trời.Trong tương lai xa, có thể LED sẽ thay thế cho tất cả bóng huỳnh quang và sợi đốt

Công nghệ LED đã có bước nhảy vọt trong ứng dụng vào thị trường dân dụng vàcông nghiệp một cách rộng rãi Chiếu sáng dân dụng, lĩnh vực trang trí nội thất hiệnđại và cổ điển, trang trí ngoại thất, cảnh, sân vườn… Chiếu sáng công nghiệp

Chính vì những lí do trên nên em đã chọn đề tài THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

HOẠT ĐỘNG CỦA LED BẰNG PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG ATLAS để

tìm hiểu và nghiên cứu phát triển

1.2 Mục đích của đề tài

Mục đích của Đồ án tốt nghiệp bao gồm những nội dung chính sau:

- Tìm hiểu tổng quan về LED bán dẫn

- Tìm hiểu phần mềm mô phỏng các linh kiện quang điện tử ATLAS vàmodule LED trong phần mềm

- Mô phỏng hoạt động của LED với các thông số:

+ Chia lưới cấu trúc theo dạng chữ nhật và dạng trụ

+ Cấu trúc vùng hoạt động của LED với các thông số khác nhau

- So sánh đặc tính ngõ ra của LED và so sánh các LED khác

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ LED

1.1 Giới thiệu chung về chất bán dẫn

1.1.1 Chất bán dẫn

Chất bán dẫn là chất bán dẫn có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện vàchất cách điện Chất bán dẫn ở trạng thái bình thường được hoạt động như một chấtcách điện Gọi là chất bán dẫn bởi vì nó có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó,hoặc không dẫn điện ở một điều kiện khác Tính dẫn điện của chất bán dẫn có thểthay đổi khi có tạp chất, những tạp chất loại khác nhau và nồng độ khác có thể tạotính dẫn điện khác nhau Trường hợp hai chất bán dẫn khác được gắn với nhau, nótạo ra một lớp tiếp xúc Các tính chất của các hạt mang điện như electron, các ion và

lỗ trống điện tử trong lớp tiếp xúc này là cơ sở tạo nên diode, bóng bán dẫn và cácthiết bị điện tử hiện đại ngày nay

1.1.2 Bán dẫn loại P-N

Các tạp chất pha tạp làm thay đổi đáng kể tính chất này của chất bán dẫn Nếuchúng ta pha tạp chất bằng các nguyên tố nhóm III và tạo ra nhiều lỗ trống hơntrong chất bán dẫn người ta gọi là chất bán dẫn loại P, và ngược lại nếu pha tạpbằng nguyên tố nhóm V tạo ra nhiều electron chuyển động tự do hơn trong chất bándẫn người ta gọi là chất bán dẫn loại N

Những chất silicon, germani và các hợp chất của nhóm III, V được sử dụng rộng rãinhất làm chất bán dẫn trong các linh kiện điện tử Khi kết hợp hai lớp bán dẫn P-Nvới nhau dẫn đến việc trao đổi điện tích tại lớp tiếp xúc của hai lớp P-N

Hình 2-1: Mối nối P-N phẳng chế tạo bằng kỹ thuật Epitaxi [1]

Khi mối nối lớp P-N được tạo thành, các lỗ trống trong vùng của lớp P khuếch tánlớp N và các điện tử trong vùng của lớp N khuếch tán sang vùng của lớp P Trongkhi di chuyển, các điện tử và lỗ trống có thể tái hợp với nhau Cho nên có sự xuấthiện của một vùng ở hai bên mối nối trong đó chỉ có những ion âm của nhữngnguyên tử nhận trong vùng P và những ion dương của nguyên tử cho trong vùng N.Các ion dương và âm này tạo ra một điện trường E chống lại sự khuếch tán của cáchạt điện Ta có trạng thái cân bằng nhiệt, vùng này được coi như là vùng có nhữngion cố định, hạt điện không di chuyển Vùng này được gọi là vùng nghèo điện tích,tương ứng với điện trường E, ta có một điện thế V0 ở hai bên mặt nối, V0 được gọi

là rào điện thế

Hình 2-2: Rào điện thế tại mối nối [1]

Ta có thể phân cực mối nối của hai lớp P-N theo hai cách:

 Tác dụng một hiệu điện thế giữa hai cực của nối sao cho điện thế vùng P lớnhơn vùng N một trị số V Trường hợp này ta nói nối P-N được phân cựcthuận (Forward Bias)

Khi chưa được phân cực, mối nối ta có một rào điện thế V0 Khi phân cực thuậnbằng hiệu điện thế V thì rào điện thế giảm một lượng V và trở thành VB = V0-V, do

đó nối P-N mất thăng bằng

Hình 2-3: Hướng di chuyển dòng điện phân cực thuận trong lớp P-N [1]

Lỗ trống khuếch tán từ vùng P sang vùng N tạo ra dòng điện Ip Điện tử khuếch tán

từ vùng N sang vùng P tạo ra dòng điện In Dòng điện I qua nối P-N là : I=Ip+In

 Nếu điện thế vùng N lớn hơn điện thế vùng P, ta nói nối P-N được phân cưcnghịch (Reverse Bias)

Hình 2-4: Rào điện thế phân cực thuận tại mối nối [1]

Hình 2-5: Hướng di chuyển dòng điện phân cực ngịch trong lớp P-N [1]

Khi nối P-N được phân cực nghịch, rào điện thế tăng một lượng V Lỗ trống và điện

tử không thể khuếch tán ngang qua mối nối Tuy nhiên, dưới tác dụng của nhiệt,một số ít điện tử và lỗ trống được sinh ra trong vùng hiếm tạo ra một dòng điện cóchiều từ vùng N sang vùng P Vì điện tử và lỗ trống sinh ra ít nên dòng điện ngượcrất nhỏ, thường chừng vài chục A hay nhỏ hơn

1.1.3 Dải năng lượng trong chất bán dẫn

Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng nănglượng Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng giánđoạn Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành cáckhối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng

và sẽ có ba vùng chính, đó là:

 Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng mà điện tử không linh động và bị liên kết mạnh với nguyên tử, là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng

 Vùng dẫn (Conduction band): Đây là vùng có mức năng lượng cao nhất, điện

tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn và nó là vùng mà các hạt điện tử sẽ di chuyểnlinh động, nghĩa là khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn thì sẽ có khả năng dẫnđiện 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, ở dây 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 Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm.

Hình 2-6: Cấu trúc năng lượng của điện tử trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn [2]

1.2 Giới thiệu về Diode bán dẫn

1.1.4 Giới thiệu chung về diode bán dẫn

Diode bán dẫn là một loại linh kiện bán dẫn rất phổ biến và nguyên lý của nó là chỉcho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại Có rấtnhiều loại diode bán dẫn hiện nay, như diode chỉnh lưu, Zener, LED Tất cả đề cónguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với bán dẫn loại N Đượcnối với hai chân ra là anode và cathoe Nó là linh kiện bán dẫn đầu tiên, loại sửdụng phổ biến nhất hiện nay, là bán dẫn loại P-N

1.1.5 Nguyên lý hoạt động

Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghépvới khối bán dẫn N 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 từ khối N chuyển sang Kết quả

là khối P tích điện âm trong khi khối N tích điện dương

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúngtiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tửtrung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng

Hình 2-7: Điện áp tiếp xúc hình thành [3]

Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện

áp tiếp xúc (Utx) Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối n đến khối pnên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tạiđiện áp tiếp xúc Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng Điện áp tiếp xúc

ở trạng thái cân bằng khoảng 0.7 V đối với diode làm bằng bán dẫn Si và khoảng0.3 V đối với diode làm bằng bán dẫn Ge

Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trìnhtái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa Vì vậy vùngbiên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là

vùng nghèo Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằngbởi điện áp bên ngoài Đây là cốt lõi hoạt động của diode.

Hình 2-8: Diode phân cực thuận P-N [3]

Nếu lắp diode phân cực thuận, sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống không bịngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt

ngược chiều với điện áp tiếp xúc Như vậy muốn có dòng điện qua diode thì điệntrường do Uac sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là: Uac >Utx Khi đómột phần của điện áp Uac dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6 V),phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua diode Khi Uac > 0, ta nói diode phâncực thuận và dòng điện qua diode lúc đó gọi là dòng điện Dòng điện thuận có chiều

từ anode sang cathode

Khi Uac đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì diode trở nên dẫn điện rất tốt, tức làđiện trở của diode lúc đó rất thấp Do vậy phần điện áp để tạo ra dòng điện thuậnthường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng với Utx Bình thườngUtx chỉ cần 0.6 V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0.1 V đến 0.5 V tùy theodòng thuận vài chục mA hay lớn đến vài Ampere Như vậy giá trị của Uac đủ để códòng qua diode khoảng 0.6 V đến 1.1 V Ngưỡng 0.6 V là ngưỡng diode bắt đầudẫn và khi Uac = 0.7 V thì dòng qua Diode khoảng vài chục mA

Hình 2-10: Đặc tuyến Volt-Ampere của môt diode bán dẫn lý tưởng [3]

Đặc tuyến Volt-Ampere của Diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện quadiode theo điện áp Uac đặt vào nó Có thể chia đặc tuyến này thành hai giai đoạn:Giai đoạn ứng với Uac = 0.7 V > 0 là khi dòng áp diode phân cực thuận

Giai đoạn ứng với Uac = 0.7 V< 0 là khi dòng áp diode phân cực nghịch

2.1 Giới thiệu chung về LED

LED (Light-emitting diode - diode bức xạ ánh sáng) Bản chất của LED là mộtdiode, nó chứa một bán dẫn có pha các tạp chất với nhau để tạo ra một lớp tiếp giáp

P-N, bán dẫn loại P chứ lỗ trống, bán dẫn loại N chứa electron, dòng điện di chuyển

từ Anode sang Cathode, khi eclectron lấp đầy các lỗ trống nó sinh ra bức xạ ánhsáng, các bước sóng phát ra có mày khác nhau tùy thuộc vào tạp chất bán dẫn LEDphân thành ba loại chủ yếu theo công suất: cỡ nhỏ, cỡ trung bình, cỡ lớn

Hình 2-11: Các lại LED công suất thấp và trung bình

LED hoạt động theo công nghệ bán dẫn Hoạt động của LED tương tự với nhiềuloại diode bán dẫn Khối bán dẫn loại P chứa nhiều loại lỗ trống tự do mang điệntích dương nên khi ghép với cực N thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển độngkhuyếch tán sang cực N Cùng lúc cực P lại nhận thêm các điện tử từ cực N chuyểnsang Cực P tích điện âm và cực N tích điện dương Ở biên giới hai bên mặt tiếpgiáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xuhường kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thểgiải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phátkhác nhau Mức năng lượng của LED hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượngcủa các nguyên tử chất bán dẫn LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơndiode thông thường, trong khoảng 1,5 V đến 3 V Nhưng điện thế phân cực nghịch

ở LED thì không cao Do đó LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra

1.3 Cấu tạo bóng đèn LED

Đèn led đã đang được sử dụng ngày một nhiều và hiệu quả mang lại thật đáng ngạcnhiên vì khả năng tiết kiệm năng lượng Một bóng đèn LED gồm có các bộ phậnchính gồm: thứ nhất phần tử phát sáng, thứ hai bộ nguồn, thứ ba mạch in tỏa nhiệt,cuối cùng là vỏ.

Hình 2-12: Cấu tạo cơ bản của bóng đèn LED [5]

Đèn led công suất cỡ nhỏ tiêu thụ dòng điện từ 2 mA cho đến 20 mA điện áp đặttrên chíp từ 1.5 V đến 3 V, phù hợp với hiển thị trạng thái của máy, chiếu sáng cụcbộ

Đèn led công suất cỡ trung thì ứng dụng chủ yếu dùng trong biển báo, đèn chiếusáng khẩn cấp, đèn chiếu hậu ô-tô, chúng tiêu thụ dòng điện cỡ 100 mA

Đèn led dải công suất công suất lớn hay HPLED tiêu thụ dòng điện vài trăm mAđến vài Ampe Đèn led HPLED thường dùng để thay đèn chiếu sáng trong nhà,ngoài trời

1.4 Cơ chế hoạt động của LED

Xét chuyển tiếp lớp P-N ở trạng thái không phân cực tại cả vùng nghèo và vùngtrung hòa Do hệ đã thiết lập trạng thái cân bằng, do đó số electron tái hợp bằng số

electorn phát xạ Mật độ dòng photon phát ra rất nhỏ, phần lớp bị hấp thụ do đókhông có hiện tượng phát quang.

Hình 2-13: Cơ chế phát quang của LED [9]

Xét chuyển tiếp lớp P-N ở trạng thái phân cực thuận Tại vùng hiếm do hiện tượngkhuếch tán và phun hạt dẫn Nồng độ hạt dẫn dư tại vùng hiếm tăng đột ngột, đểthiết lập lại cân bằng, các hạt electron và lỗ trống tái hợp theo cơ chế tự phát và phát

ra các photon Do tác dụng của điện áp thuận đặt vào lớp chuyển tiếp, vùng hiếmluôn ở trạng thái thừa hạt dẫn, do đó mật độ dòng photon phát ra từ vùng hiếm luônđược duy trì tạo thành chùm sáng thoát ra khỏi lớp chuyển tiếp

Trong trường hợp chuyển tiếp lớp P-N ở trạng thái phân cực ngược Dòng ngược làdòng của hạt dẫn thiểu số rất nhỏ dẫn tới mật độ photon phát ra rất nhỏ, phần lớn bịhấp thụ trở lại do đó không có ánh sáng phát ra Từ đó ta suy ra, điện áp thuận đặtvào LED sẽ tạo ra hiện tượng phu hạt dẫn qua lớp chuyển tiếp, qua đó làm tăngnồng độ hạt dẫn dư, sự tăng nồng độ hạt dẫn dư làm xuất hiện sự tái hợp bức xạ đểtrở về trạng thái cân bằng

Cơ chế hoạt động của LED chủ yếu dựa trên phát xạ tự phát của ánh sáng gây ra do

sự tái kết hợp phát xạ của diode Hiện tượng này thường được biết là điện phátquang Số lượng tái kết hợp phát xạ và vùng phát xạ trong cấu trúc tùy thuộc vàochất bán dẫn và phương pháp chế tạo linh kiện bán dẫn Trong trường hợp này,mặc dù sự tái kết hợp có thể xảy ra trên toàn cấu trúc của diode vì hạt tải có

khuynh hướng khuếch tán xa khỏi vùng tiếp họp, phần lớn ánh sáng phát ra từ vùngtiếp hợp của P-N diode

Phát xạ tự phát xảy ra khi hạt electrons từ băng dẫn EC di chuyển đến tái kết hợpvới lỗ trống ở băng hóa trị EV Trong khi đó, sự hấp thụ là kết quả đạt được khi hạtelectrons nhảy từ băng hóa trị lên đến băng dẫn,để lại lỗ trống nơi băng hóa trị EV.Còn phát xạ kích thích là do sự kích thích bởi một lượng năng lượng khác

Hình 2-14: Mô hình tổng quát biểu hiện các hiện tượng phát xạ tự phát, hấp thụ và phát xạ

kích thích [6]

Phát xạ tự phát diễn tả một quy trình nơi mà hạt electrons từ một trạng thái kíchthích di chuyển xuống trạng thái ổn định Năng lượng của photon sinh ra bởi quátrình này được định nghĩa như là sự khác biệt năng lượng giữa trạng thái kích thíchE2 và trạng thái ổn định E1

Hình 2-15: Phát xạ tự phát [6]

1.5 Cấu trúc giếng lượng tử

Giếng lượng tử (Quantum wells -QW) đã và đang trở thành kỹ thuật được coi là rấtquan trọng trong lãnh vực vi điện tử và quang điện tử một phần lớn là nhờ những ưuthế chưa từng có trước đây trong kỹ nghệ chế tạo màng mỏng, như kiểm soát rấtđích xác chiều dày tới mức nanometers, phân giới giữa các màng mỏng, và thànhphần các chất và pha tạp chất

Hình 2-16: Cấu tạo của lớp giao P-N LED [7]

Cấu tạo của lớp giao P-N LED với giếng điện tử dùng trong vùng hoạt động Bởi vìvật nền saphia không dẫn điện, hai điện cực của LEDs phải nằm cùng một phía vềhướng đối diện với vật nền

1.1.6 Kỹ thuật Bandgap

Các giếng lượng tử cũng giống như cái giếng trong đó các electron là nước giếng .Một cách để thực hiện điều này là dùng cấu trúc không đồng chất đôi, nơi mà chấtbán dẫn có vùng cấm năng lượng hẹp được kẹp giữa hai lớp bán dẫn có vùng cấm rộng hơn Hiệu suất lượng tử nội bộ có thể được cải thiện nếu hạt tải bị kiềm chế,làm tăng thêm xác suất tái kết hợp phát xạ Hạt tải luôn luôn thích trạng thái nănglượng thấp cho nên hạt tải sẽ tập trung ở vùng giữa và cho ra nhiều cặp electrons-holes sẵn sàng tham gia vào quy trình tái kết hợp phát xạ

Hình 2-17: Sơ đồ năng lượng của giếng lượng tử Gan/Ingan/Gan với hạt electron và tái tổ

hợp bức xạ [7]

Vì chiều dài bước sóng phóng ra tùy thuộc vào bandgap của chất bán dẫn, cho nên

có thể thấy nhiều nghiên cứu chú tâm vào kỹ thuật điều chỉnh để đạt đượcbandgap mong muốn Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật biến đổi năng lượng vùngcấm Kỹ thuật biến đổi năng lượng vùng cấm là quy trình tạo chất bán dẫn với đặctính điện và quang khác nhau bằng cách thay đổi chiếu dày màng mỏng, thành phầncủa hợp chất trong các chất bán dẫn

1.1.7 Kỹ thuật biến đổi nămg lượng vùng cấm

Vì chiều dài bước sóng phóng ra tùy thuộc vào bandgap của chất bán dẫn, nhiềunghiên cứu chú tâm vào kỹ thuật điều chỉnh để đạt được bandgap mong muốn Kỹthuật này được gọi là kỹ thuật biến đổi năng lượng vùng cấm Nó là quy trình tạochất bán dẫn với đặc tính điện và quang khác nhau bằng cách thay đổi chiếu dàymàng mỏng, thành phần của hợp chất trong các chất bán dẫn Khái niệm về kiềmchế lượng tử đã dẫn đến hiệu quả quantum sizes trong giếng lượng tử Trong cấutạo nơi chất bán dẫn có bandgap hẹp hơn như GaAs được đặt kèm giữa chất bán dẫn

có bandgap rộng hơn như AlGaAs, sự kiềm chế đạt được do độ bất liện tục về nănglương ở vùng phân giới giữa hai chất bán dẫn, đưa đến sự biến đổi giữa vùng dẫn vàvùng hóa trị

1.6 Cấu trúc nhiều giếng lượng tử

Nhiều giếng lượng tử (Multi Quantum Well – MQW) có những ưu điểm như tự dotrong việc thiết kế cho nhiều loại bán dẫn khác nhau, có hiệu xuất phát sáng cao

Hình 2-19: Ánh sáng ra của LED tăng lên theo với số lượng sử dụng QW [8]

Ánh sáng phát ra của LED tăng lên theo với số giếng lượng tử sử dụng trong Led,thường thì sử dụng từ 3 đến 5 giếng lượng tử Vì số lượng quá nhiều thì sẽ khônghiệu quả với việc đưa đủ các electron vào các giếng cuối Bước sóng ánh sáng cóthể điều chỉnh bởi trạng thái năng lượng giới hạn lượng tử được cho trước

Hình 2-20: Cấu tạo của LED với nhiều giếng lượng tử [7]

Cấu tạo của LED với nhiều giếng lượng tử, tường chắn Mg doped GaN được dùng

để gia tăng cường độ phát, độ ổn định nhiệt, hiệu suất lượng tử nội bộ của LED Sựcải thiện về công suất đầu ra là do sự gia tăng về lượng lỗ trống tiêm nhập vào cáclớp trong giếng lượng tử với tường chắn Mg-doped Giếng lượng tử trong này gồmgiếng lượng tử InGaN và tường chắn lượng tử GaN

1.7 Cơ chế phát quang của LED

1.8 Phân loại đèn LED thông dụng

1.1.8 Đèn LED thu nhỏ

Đèn tín hiệu nằm trên điện thoại di động, tivi, điều khiển từ xa và máy ảnh kỹ thuật

số, chúng sử dụng đèn LED thu nhỏ để tạo ra chùm ánh sáng tầm xa nhỏ và hiệuquả Chúng tương thích để sử dụng trong các bảng mạch khác nhau

1.1.10 Đèn LED chiếu điểm

Đèn LED chiếu với độ sáng cao và tuổi thọ lớn Đèn LED chiếu điểm thườngđược sử dụng cho các công trình dân dụng hoặc showroom lớn nhỏ

Hình 2-23: LED chiếu điểm [10]

1.1.11 Đèn LED tuýp

Đèn LED tuýp mỏng và ngắn hơn so với đèn tuýp huỳnh quang Nó dễ lắp đặthơn và không sản sinh nhiều nhiệt Nó rất hữu ích để sử dụng trong văn phòng,phòng hội thảo lớn và thậm chí cả trong nhà Nó thân thiện với môi trường và cótuổi thọ dài hơn nhiều so với đèn huỳnh quang bình thường Hơn nữa, nó không tỏabất kỳ tia UV nào

Hình 2-24: Đèn LED tuýp [10]

1.1.12 Đèn LED sân khấu

Đèn LED sân khấu chủ yếu có ba biến thể khác nhau là hộp PAR, striplights vàmoving head

Hình 2-25: Đèn LED sân khấu [10]

1.1.13 Đèn đường LED

Là một trong những loại đèn hữu ích cho xã hội Cho dù đó là con đường riêng hayđường quốc lộ, đèn đường LED đáp ứng mọi yêu cầu với ít rắc rối về lắp đặt, ánhsáng và hiệu quả Nó có kích thước khác nhau theo nhu cầu và hình dạng

Hình 2-26: Đèn đường LED [10]

1.9 So sánh giữa LED, OLED và Quantum LED

 OLED có tầm nhìnrông hơn(170 độ)

 Là một biến thể củaLCD/LED, được bổsung thêm một tấmfilm chấm lượng tửvào cấu trúc thông

 OLED thể hiện màutrung thực rõ ràng

 Độ tương phản caokhoảng 3000:1

 Chi phí của OLED cao

thường

 Dẫn truyền ánhsáng dựa vào hệ thốngđèn nền LED

 Có độ sáng cao hơn

từ 30%-40% so vớiOLED hiện tại

 Ít tiêu thụ điện nănghơn OLED 2 lần

Bảng 2-1: So sánh giữa màn hình LED, OLED và QLED

Đèn LED có tuổi thọ từ 30.000 đến 100.000 giờ Nên ta có thể sử dụng đèn LEDkéo dài rất lâu, tùy thuộc vào thời gian hoạt động hàng ngày LED có hiệu suất phátsáng cao hơn bóng sợi đốt Nó có thể phát ra màu sắc như ý muốn Kích thước củabóng LED rất nhỏ vì vậy có thể dễ dàng bố trí trên mạch in Đèn LED có thời gianbật và tắt rất nhanh Điều này giúp ích quan trọng trong thông tin liêc lạc, lĩnh vựcyêu cầu có thời gian đáp ứng nhanh LED có thể dễ dàng điều khiển độ sáng tốibằng phương pháp điều chế độ rộng xung hoặc tăng giảm dòng điện tác động LEDđược làm từ vật liệu bán dẫn, nên rất khó bị phá huỷ bởi sự va đập LED khônggây độc hại, thân thiện với môi trường

LED có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn ngày nay nhưng chủ yếu là ba lĩnh vựcchính

 Làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị điện điện tử, đèn quang cáo, trang trí,đèn giao thông

 Ứng dụng trong lĩnh vực chiếu sáng vì những ưu điểm của nó hoàn toàn cóthể thay thế những nguồn sáng thông thường khác

 Ứng dụng trong lĩnh vực điện tử viễn thông như trong thiết bị điều khiển từ

xa, cảm biến hồng ngoại, công nghệ truyền dữ liệu qua tia hồng ngoại

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ATLAS

1.10 Tổng quan về phần mềm ATLAS

ATLAS là một thiết bị giả lập 2D và 3D Nó dự đoán các hoạt động điện của cáccấu trúc bán dẫn xác định và cung cấp thông tin chính xách rõ ràng về các cơ chếvật lý bên trong cơ chế liên quan đến hoạt động của thiết bị

ATLAS có thể được sử dụng độc lập hoặc như một công cụ chính ở trong môitrường mô phỏng của Silvaco

Trong chuỗi dự đoán tác động của các biến quá trình lên hiệu suất mạch, môphỏng thiết bị phù hợp giữa mô phỏng quy trình và khai thác mô hình Spice

1.1.14 Cấu trúc chung đầu vào và đầu ra trong phần mềm ATLAS

Các mô phỏng ATLAS sử dụng hai tệp nhập Tệp đầu vào đầu tiên là tệp văn bản cóchứa lệnh cho ATLAS để thực hiện lệnh Tệp đầu vào thứ hai là tệp cấu trúc xácđịnh các cấu trúc mà ta sẽ mô phỏng

ATLAS xuất ra ba loại tập tin Tập tin đầu tiên của tập tin đầu ra là đầu ra chạy thờigian, cung cấp cho bạn tiến trình hoạt động và các thông báo lỗi và cảnh báo khitiến hành mô phỏng Tập tin thứ hai của tập tin đầu ra là tập nhật ký, lưu trữ tất cảcác thông tin điện áp đầu cuối và dòng từ phân tích thiết bị Tập tin thứ ba của tệptin đầu ra là tập giải pháp lưu trữ dữ liệu 2D và 3D liên quan đến các giá trị của cácbiến giải pháp trong thiết bị tại một điểm sai lệch nhất định

Hình 3-1: Cấu trúc đầu vào và đầu ra của phần mềm ATLAS [11]

1.1.15 Cách hoạt động của phầm mềm ATLAS

ATLAS thường được sử dụng kết hợp với môi trường DECKBUILD, hỗ trợ cả haihoạt động tương tác với nhau

1.1.16 Chế độ tương tác với môi trường DECKBUID

Để bắt đầu ATLAS trong môi trường DECKBUILD, dùng lệnh:

deckbuild -asBắt đầu DECKBUILD bằng cách nhập lệnh, nếu muốn bắt đầu từ một tập tin đầuvào hiện có:

deckbuild -as <nhập tên tệp>

Đầu ra thời gian chạy cho thấy việc thực hiện mỗi câu lệnh ATLAS và bao gồm cácthông báo lỗi, cảnh báo, các tham số trích xuất, và các đầu ra quan trọng khác đểđánh giá mỗi lần chạy ATLAS Khi ATLAS được chạy một cách tương tác, đầu rathời gian được gửi đến phần ra của cửa sổ DECKBUILD và có thể được lưu trữ khicần thiết

1.1.17 Chạy phần mềm ATLAS bên trong môi trường DECKBUILD

Mỗi ATLAS để có thể chạy bên trong DECKBUILD nên bắt đầu với câu lệnh:

go atlasMột tập tin chứa thông tin sẽ chạy với một dòng khi sử dụng cấu trúc lệnh go atlas.Nhập tận tin trong DECKBUILD cũng có thể chứa các chương trình chạy từ cácchương trình khác như ATHENA hoặc DEVEDIT chạy cùng ATLAS

1.1.18 Truy cập các ví dụ

Ví dụ có thể truy cập từ hệ thống trong môi trường DECKBUILD Để chọn và tảimột ví dụ thực hiện:

Khởi động DECKBUILD với ATLAS làm mô phỏng

Hình 3-2: Ví dụ trong môi trường DECKBUILD trong phần mềm ATLAS

1.1.19 Cú pháp trong phần mềm ATLAS

Một tập lệnh thực hiện của ATLAS là một danh sách các lệnh cho ATLAS để thựcthi Tập lệnh này được lưu dưới dạng văn bản ASCII tập tin có thể được chuẩn bịtrong môi trường DECKBUILD hoặc trong bất kỳ trình soạn thảo văn bản nào.Chuẩn bị một tệp tin đầu vào trong DECKBUILD được ưu tiên hơn

1.1.20 Các câu lệnh và tham số trong phần mềm ATLAS

Mỗi câu lệnh bao gồm một từ khóa xác định câu lệnh và tập hợp các tham sốTập tin đầu vào chứa một dãy các câu lệnh Cấu trúc chung sẽ là:

<STATEMENT> <PARAMETER> = <VALUE>

Ta có một số trường hợp ngoại lệ, câu lệnh đầu vào không phân biệt chữ hoachữ thường Một trường hợp quan trọng là các lệnh được mô tả trong danh sáchhướng dẫn này khi được thực hiện bởi DECKBUILD hơn là ATLAS Bao gồmEXTRACT, SET, GO và SYSTEM Ngoài ra, tên tập tin cho đầu vào và đầu radưới UNIX

Đối với bất kỳ <STATEMENT> nào, ATLAS có thể có bốn loại khác nhau chotham số <VALUE>: thực, số nguyên, ký tự và logic

Một ví dụ của một câu lệnh Statement là:

DOPING UNIFORM N.TYPE CONCENTRATION = 1.0e16 REGION = 1

OUTFILE= my.dopTất cả các mục khác là các tham số của câu lệnh DOPING UNIFORM và N.TYPE

là các tham số logic Sự xuất hiện của các lệnh trên dòng đặt giá trị là đúng, nếukhông thì lấy giá trị mặc định của chúng

Các từ khóa tuyên bố phải đứng trước nhưng thứ tự của các thông số trong mộttuyên bố là không quan trọng

ATLAS có thể đọc đến 256 ký tự trên một dòng Cách tốt nhất là truyền đầu vàodài, tách các câu lệnh trên nhiều dòng để làm cho tệp dễ đọc hơn

1.1.21 Menu lệnh của DECKBUILD

Các Command Menu DeckBuild có thể giúp tạo ra các tập tin đầu vào Menu nàyđược tìm thấy dưới nút Commands trên màn hình chính của DECKBUILD'S

Menu lệnh cho phép truy cập cửa sổ bật lên nhập thông tin Khi chọn nút Write, cáccâu lệnh đúng cú pháp được ghi vào vùng soạn thảo văn bản DECKBUILD

1.1.22 Thứ tự câu lệnh trong một tập tin ATLAS

Thứ tự các câu lệnh xuất hiện trong tập tin đầu vào ATLAS là rất quan trọng Cónăm nhóm câu lệnh Mỗi tập tin đầu vào phải có năm nhóm theo thứ tự.Việc takhông thực hiện điều này thường sẽ gây ra thông báo lỗi và dừng chương trình hoặc

có thể không chính xác chương trình

Hình 3-3: Năm nhóm câu lệnh chính

1.1.23 Bắt đầu với PISCES-II

Phần này có thể xem là bước khởi đầu cho chúng ta có thể quen thuộc với cúpháp và sử dụng chương trình PISCES-II

Sự khác nhau giữa ATLAS và PISCES-II là:

 Các lệnh đồ họa PISCES-II, chẳng hạn như PLOT 1D, PLOT.2D,CONTOUR, VECTOR không bắt buộc dùng Tất cả các đồ họa được xử lý

bởi một ứng dụng đồ họa tương tác riêng biệt TONYPLOT Sử dụngTONYPLOT nó không cần thiết để chạy mô phỏng thiết bị chỉ đơn giản là vẽhoặc thay đổi đồ họa.

 Không cần phải tách các mô phỏng ATLAS thành các tập tin riêng lẻ.ATLAS có thể chạy nhiều lần trong cùng một tệp đầu vào

 Giao diện từ quá trình xử lý sang mô phỏng thiết bị được xử lý mặc dù mộtđịnh dạng tệp duy nhất tương thích với các chương trình khác Tệp được đọcbởi ATLAS là định dạng tệp đầu ra mặc định của ATHENA Không có địnhdạng tệp đặc biệt cho giao diện là bắt buộc

 Không nên sử dụng lệnh REGRID do việc tạo ra các tam giác sẽ gây khóhiểu DEVEDIT là chương trình riêng, được sử dụng trước lưới ATLAS

 Tất cả các lệnh lựa chọn phương pháp số và các tham số đều có trong câulệnh METHOD Câu lệnh SYMBOLIC không được sử dụng

 Các lệnh mục đích chung khác nhau thực sự là một phần của môi trườngngười dùng DECKBUILD Các lệnh này có thể dùng xen kẽ bên trong câulệnh ATLAS Bao gồm SET, EXTRACT, GO, SYSTEM, và SOURCE

 Thay thế biến được hỗ trợ cho cả hai chuỗi sử dụng trong câu lệnh SET vàbến số

1.11 Giới thiệu về thiết kế và giao diện của ATLAS

Khi cài đặt phần mềm Atlas xong chúng ta sẽ thấy xuất hiện trên màn hình cài đặt

có biểu tượng của SEDA Tools

Hình 3-4: Biểu tượng Seda Tools