Màn hình LED

Cấu tạo và tính năng Màn hình LED

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

1.1 Các định nghĩa 2

1.2 Sự cảm nhận của mắt người 3

1.3 Hai nguyên lý phối màu 4

II Tổng quan về LED 7

2.1 Lịch sử phát triển LED 7

2.2 Chuyển tiếp P-N 8

2.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của LED 10

2.3.1 Cấu tạo LED 10

2.3.2 Nguyên tắc hoạt động 11

2.4 Vật liệu chế tạo LED 13

2.4.1 Các tiêu chuẩn về vật liệu 13

2.4.2 Màu sắc và vật liệu 15

III TV LED 18

3.1.4 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 20

3.2.1.Độ tương phản/độ đen 25

3.2.2.Độ chính xác màu 26

3.2.3 Chất lượng hình ảnh 26

3.2.4.Góc nhìn 27

3.2.5.Tiêu thụ điện năng 27

I.Những điều cần biết về màn hình

1.1 Các định nghĩa

Nhiệm vụ của màn hình là tái tạo lại hình ảnh Để tái tạo lại hình ảnh,phương pháp phổ biến nhất hiện nay là hiển thị hình ảnh dựa vào bản đồ ma trậnđiểm ảnh Theo phương pháp này, một khung hình sẽ được chia ra làm vô số cácđiểm ảnh nhỏ

Các điểm ảnh có dạng hình vuông, có kích thước rất nhỏ Kích thước “thực”của một điểm ảnh là: 0.01x0.01 (cm) Tuy nhiên kích thước thực này phần lớn chỉ

có ý nghĩa lý thuyết, vì hầu như chúng ta ít khi quan sát được các điểm ảnh tại kíchthước thực của chúng, một phần do chúng quá bé, một phần do kích thước quan sátcủa điểm ảnh phụ thuộc vào độ phân giải: với cùng một diện tích hiển thị, độ phângiải (số lượng điểm ảnh) càng lớn thì kích thước quan sát được của chúng càng bé

Kích thước của một khung hình được cho bởi số lượng điểm ảnh theo chiềungang và số lượng điểm ảnh theo chiều dọc Ví dụ kích thước khung hình1600x1200 (pixel) có nghĩa khung hình đó sẽ được hiển bị bởi 1600 điểm ảnh theochiều ngang và 1200 điểm ảnh theo chiều dọc Nhiều người lầm tưởng giá trị1600x1200 trên chính là độ phân giải của hình ảnh

Giá trị về số lượng pixel chỉ mang ý nghĩa kích thước (image dimension),còn độ phân giải (resolution) được cho bởi số lượng điểm ảnh hiển thị trên diệntích một inch vuông Độ phân giải càng cao, hình ảnh được hiển thị sẽ càng nét Độphân giải đạt đến giá trị độ phân giải thực khi mà một pixel được hiển thị với đúngkích thước thực của nó (kích thước thực của pixel được lấy sao cho ở một khoảngcách nhất định, pixel đó đựơc nhìn dưới một góc xấp xỉ bằng năng suất phân li của

giác hình ảnh bị sạn, không nét Trên lý thuyết nếu độ phân giải cao hơn độ phângiải thực thì độ nét và độ chi tiết của hình ảnh sẽ tăng lên, tuy nhiên thực sự mắtngười không cảm nhận được hoàn toàn sự khác biệt này .

1.2 Sự cảm nhận của mắt người

Mắt người cảm nhận hình ảnh dựa vào hai yếu tố : màu sắc và độ sáng (chói)của hình ảnh Màn hình muốn hiển thị được hình ảnh thì cũng phải tái tạo lại đượchai yếu tố thị giác này của hình ảnh

Về màu sắc, mắt người có khả năng cảm nhận hơn 4 tỉ sắc độ màu khácnhau, trong đó có một phổ màu khoảng hơn 30 triệu màu được cảm nhận rõ rệtnhất Muốn tái tạo lại hình ảnh chân thực, màn hình hiển thị cần phải có khả nănghiển thị ít nhất là khoảng 16 triệu màu Bình thường, khi muốn tạo ra một màu sắc,người ta sử dụng kĩ thuật lọc màu từ ánh sáng trắng, mỗi bộ lọc màu sẽ cho ra mộtmàu Tuy nhiên, với kích thước vô cùng bé của điểm ảnh, việc đặt 16 triệu bộ lọcmàu trước một điểm ảnh là gần như vô vọng Chính vì thế, để hiển thị màu sắc mộtcách đơn giản nhưng vẫn cung cấp khá đầy đủ dải màu, người ta sử dụng phươngpháp phối hợp màu từ các màu cơ bản Hệ các màu cơ bản phải thoả mãn điều kiệntái tạo được một phổ màu rộng từ các màu thành phần, và các màu thành phần, khiđược tổng hợp với cùng tỉ lệ phải tạo ra một trong hai màu sơ cấp là màu đen (loạitrừ của tất cả màu sắc) hoặc màu trắng (tổng hoà của tất cả màu sắc)

Về các màu cơ bản, trong các tài liệu mỹ thuật cổ điển thường đề cập đến bamàu cơ bản vàng, đỏ, xanh lam Màu đỏ hợp với màu vàng sẽ tạo ra màu da cam,màu xanh với đỏ tạo ra màu tím, màu vàng với xanh tạo ra xanh lá Tiếp tục từ cácmàu trên, phối hợp với nhau sẽ ra được tất cả các màu khác Tuy nhiên, hệ 3 màu

cơ bản của mỹ thuật cổ điển ngày nay đã tỏ ra có nhiều nhược điểm trong các ứng

dụng kĩ thuật Thứ nhất, với mỗi lần phối hợp màu, màu thu được thường bị xỉn đi,gây khó khăn trong việc tái tạo lại những màu sắc “tươi” như xanh lá mạ, vàngchanh , và nhược điểm quan trọng nhất, khi chồng ba màu cơ bản vàng, đỏ, xanhlam với cường độ giống nhau lên nhau thì không thu được màu đen hoàn toàn Yếuđiểm này đã khiến cho hệ màu đỏ, vàng, xanh lam bây giờ chỉ còn tồn tại trongsách vở, và hầu như không có một ứng dụng kĩ thuật thực tế nào Thay vào đó,ngày nay có hai hệ màu được sử dụng rất phổ biến là hệ màu RGB và hệ màuCMYK Cơ sở để xây dựng nên hai hệ màu cơ bản này dựa trên nguyên lý phốimàu phát xạ và phối màu hấp thụ của ánh sáng

1.3 Hai nguyên lý phối màu

Về hai nguyên lý phối màu trên, ta cần nói qua về cơ chế mắt cảm nhậnmàu Màu sắc mà mắt cảm nhận đựơc phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếutới mắt Bước sóng của ánh sáng chiếu tới mắt lại phụ thuộc vào bản chất nguồnsáng Có hai loại nguồn sáng, đó là nguồn sáng sơ cấp và nguồn sáng thứ cấp.Nguồn sáng sơ cấp là các nguồn sáng có khả năng tự phát ra sóng ánh sáng, cònnguồn sáng thứ cấp là nguồn sáng phát ra ánh sáng bằng cách phản xạ lại ánh sáng

từ nguồn sáng sơ cấp Khi quan sát một nguồn sáng sơ cấp, màu sắc mà mắt ngườiquan sát được chính là màu của ánh sáng mà nguồn sáng phát ra, còn khi quan sátnguồn sáng thứ cấp, màu sắc quan sát được là màu mà nguồn sáng thứ cấp không

có khả năng hấp thụ từ nguồn sáng sơ cấp

Ví dụ: khi quan sát ánh sáng đỏ phát ra từ đèn led, chúng ta có cảm nhậnmàu đỏ thì ánh sáng từ đèn led phát ra có bước sóng nằm trong vùng ánh sáng đó.Còn khi quan sát một tấm bảng màu đỏ, ta có cảm nhận màu đỏ bởi tấm bảng đãhấp thụ hầu hết các bước sóng khác (xanh, tím, vàng ) từ nguồn sáng sơ cấp, chỉ

sáng sơ cấp luôn không đổi, còn màu sắc của nguồn sáng thứ cấp lại thay đổi phụthuộc vào màu sắc của nguồn sáng sơ cấp Chiếu sáng nguồn sáng thứ cấp bằngcác nguồn sáng sơ cấp có màu khác nhau sẽ thu được ánh sáng thứ cấp khác nhau.

Phối màu phát xạ là hình thức phối màu sử dụng cho các nguồn sáng sơ cấp,còn phối màu hấp thụ là hình thức phối màu sử dụng cho các nguồn sáng thứ cấp.Chúng khác nhau cơ bản: cơ chế của phối màu phát xạ là cộng màu, còn cơ chếcủa phối màu hấp thụ là trừ màu Có thể kiểm chứng điều này một cách đơn giản:theo định nghĩa, ánh sáng trắng là tổng hoà của vô số ánh sáng đơn sắc có màu sắckhác nhau, có bước sóng từ 0.4 đến 0.7um Tuy nhiên, chúng ta chỉ có thể thu đượcánh sáng trắng nếu chiếu các chùm sáng chồng lên nhau (các chùm sáng được phát

ra từ các nguồn sáng sơ cấp), còn nếu chồng các màu sắc lên nhau bằng cách tôchúng lên một tờ giấy, tất nhiên sẽ chẳng bao giờ nhận được màu trắng, mà ngượclại, còn ra màu đen Lý do là quá trình tô màu sắc lên tờ giấy không phải quá trình

“tổng hợp” các màu, mà ngược lại, là quá trình “loại trừ” các màu Khi ngoại trừhết tất cả các màu thì rõ ràng chỉ còn màu đen

Nguyên tắc phối màu phát xạ

Phối màu phát xạ được sử dụng trong các thiết bị phát ra ánh sáng như cácloại đèn, các loại màn hình Các ánh sáng có màu khác nhau, khi chiếu chồng lênnhau sẽ tạo ra ánh sáng có màu sắc khác Ba màu cơ bản của cơ chế phối màu phát

xạ trong các màn hình là màu đỏ, xanh lam và xanh lá (RGB) Theo hình trên, sựkết hợp màu sắc có vẻ hơi lạ: màu đỏ cộng màu xanh lá lại ra màu vàng ? Cần chú

ý, nguyên lý phối màu phát xạ chỉ đúng khi được quan sát trực tiếp từ các nguồnsáng sơ cấp như màn hình, đèn, còn khi quan sát quá trình phối màu trên giấy hoặctrên màn chiếu, thực chất chúng ta đang quan sát một nguồn sáng thứ cấp nên hiểnnhiên nguyên lý phối màu phát xạ trông khá vô lý Tổng hoà của ba màu cơ bảntrong phối màu phát xạ là màu trắng

Nguyên tắc phối màu hấp thụ

Phối màu hấp thụ được sử dụng trong các ứng dụng mà con người phải quansát các nguồn sáng thứ cấp, như in báo, vẽ tranh Nguyên lý của phối màu hấp thụ

là trừ màu Lớp vật liệu đỏ sẽ hấp thụ tất cả các màu sắc, ngoại trừ màu đỏ, nênchúng ta nhìn được màu đỏ Phối màu hấp thụ dựa trên 4 màu cơ bản: CMYK:vàng, xanh lơ, hồng, đen Về lý thuyết, chỉ cần ba màu vàng, xanh lơ, hồng là cóthể tạo ra dải màu khá trung thực Sau này, trong kĩ thuật in ấn, màu đen đượcthêm vào để có thể điều chỉnh một cách chi tiết hơn độ sáng tối của màu Có thểthấy ứng dụng của hệ màu CMYK trong các máy in màu: chúng chỉ có 4 hộp mực,tương ứng với 4 màu này để có thể in ra tất cả các màu sắc của bức tranh

Như vậy, cơ chế phối màu trong các màn hình là cơ chế phối màu phát xạ,dựa trên ba màu cơ bản là màu đỏ, xanh lam, xanh lá Dựa trên ba màu này, mànhình có thể tái tạo lại gần như toàn bộ dải màu sắc mà mắt người cảm nhận được

Đó là về màu sắc, còn yếu tố thứ hai của hình ảnh là độ sáng, sẽ đựơc điều chỉnhbởi một đèn nền

II Tổng quan về LED

2.1 Lịch sử phát triển LED

Báo cáo đầu tiên được biết đền về sự phát xạ ánh sáng ở trạng thái rắn là vàonăm 1907 ở bởi một người Anh tên là H.J.Round ở phòng thí nghiệm Marconi khiông ta để ý đến điện phát quang phát ra từ một tinh thể của cacbua silic khi dùngđầu dò xúc tác đơn tinh thể Oleg Vladimirovich Losev người Nga cũng độc lập tạo

ra LED đầu tiên giữa năm 1920; nghiên cứu của ông ta đã được công bố trên cáctạp trí khoa học của Nga, Đức, Anh, và bị bỏ qua không có sự sử dụng thực tế nàođược khám phá trong vài thập niên Năm 1955, Rubin Braunstein đã phát hiện ra

sự phát xạ tia hồng ngoại từ GaAs và những bán dẫn khác Ông quan sát sự phát xạ

tia hồng ngoại từ những đi ốt đơn giản sử dụng GaSb, GaAs, InP, và Ge-Si ở nhiệt

độ phòng và ở 77K Năm 1961, Bob Biard và Gary Pittman tìm thấy GaAs cho bức

xạ hồng ngoại khi có dòng điện chạy qua, và hai người đã đươc chứng nhận bằngsáng chế đầu tiên về việc tạo ra đi ốt phát ra ánh sáng hồng ngoại

Led phổ nhìn thấy (đỏ) đầu tiên được tạo ra vào năm 1962 bởi NickHolonyak trong khi làm việc tại công ty, và sau đó ông chuyển đến giảng dạy tạiđại học ở Urbana Holonyak được coi như “người cha của đi ốt phát bức xạ nhìnthấy” M.George, một cựu sinh viên của Holonyak, đã phát minh ra Led ánh sángvàng đầu tiên và Led sáng đỏ và đỏ cam sáng hơn gấp 10 lần vào 1972 ShujiNakamura của công ty Nichia (Nhật) đã trình bày cơ sở Led ánh sáng xanh lơ(blue) độ sáng cao đầu tiên dựa trên InGaN dựa trên cấu trúc GaN ở saphia và bándẫn GaN pha tạp loại p của I.Akasaki và H.Amano ở Nagoya Năm 1995, AlbertoBarbieri tại phòng thí nghiệm đại học Cardiff, đã khảo sát hiệu suất và độ bền củaLed độ sáng lớn và đã chứng minh được và thu được kết quả lớn bằng cách sửdụng một tiếp xúc trong suốt làm từ ITO trên Led (AlGaInP/GaAs) Sự tồn tại củađèn Led ánh sáng xanh lơ và hiệu suất cao đã dẫn đến sự phát hiện Led ánh sángtrắng đầu tiên, sử dụng Y3AL5O12:Ce hay “YAG”, bao phủ bởi phosphor trộn lẫnánh sáng vàng và xanh lơ để làm xuất hiện ánh sáng trắng Nakamura đã được traogiải năm 2006 công nghệ thế kỉ cho phát minh này

Sự phát triển của công nghệ Led là nguyên nhân làm tăng hiệu suất và ánhsáng theo hàm mũ, cứ 36 tháng một lần từ năm 1960 tương tự như định luậtMoore Sự tiến bộ nói chung phát triển song song với những công nghệ bán dẫnkhác và như tiến bộ trong khoa học quang học và vật liệu

2.2 Chuyển tiếp P-N

Chuyển tiếp P – N hay còn gọi là chuyển tiếp điện tử - lỗ trống, chúng tanhận được một chuyển tiếp P – N nếu như trong một tinh thể bán dẫn thuần nhất,bằng phương pháp công nghệ nào đó chúng ta nhận được hai miền : một miền chưatạp chất axeptor ( miền p) và một miền lân cận chứa tạp chất donor (miền n) Ranhgiới tiếp xúc của hai miền p và n này được gọi là lớp tiếp xúc công nghệ hay là lớptiếp xúc luyện kim.

Chúng ta sẽ xem xét bức tranh hình thành một chuyển tiếp P – N như sau: Thật vậy, do ở miền p có nhiều lỗ trống và miền n có nhiều điện tử, ở vùng lân cậnlớp tiếp xúc công nghệ sẽ xuất hiện một gradien nồng độ các hạt tải điện Sự xuấthiện của gradien nồng độ này sẽ dẫn đến sự tạo thành dòng các hạt tải điện theo cơchế khuếch tán Các lỗ trống sẽ khuếch tán từ miền p sang miền n và ngược lại, cácđiện tử khuếch tán từ miền n sang miền p Có thể thấy rằng sự chuyển rời của cáchạt tải điện này ( lỗ trống và điện tử ) sẽ phá vỡ sự trung hòa về điện ở các miềntrên Sự phá vỡ này sẽ xuất hiện đầu tiên ở gần lớp tiếp xúc công nghệ Kết quả là

ở miền p sẽ xuất hiện các nguyên tử tạp chất bị ion hóa mang điện tích âm, ở miền

n sẽ xuất hiện các nguyên tử tạp chất bị ion hóa mang điện tích dương Các nguyên

tử này là các điện tích bất động Như vậy, ở những miền gần tiếp xúc công nghệ sẽxuất hiện một vùng các điện tích không gian Những điện tích không gian này sẽtạo thành một điện trường, thường gọi là điện trường khuếch tán và có chiều hướng

từ miền n sang miền p Điện trường khuếch tán này có chiều sao cho chiều này cảntrở sự dịch chuyển của các hạt tải cơ bản qua lớp tiếp xúc công nghệ Như vậychúng ta coi chuyển tiếp P – N chính là miền mà ở đó có tồn tại một điện trường

Sơ đồ một chuyển tiếp P- N ở điều kiện cân bằng.

2.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của LED

2.3.1 Cấu tạo LED

1 Vỏ nhựa Epoxy (epoxy case)

2 Chíp bán dẫn (semicondutor chip)

3 Vùng hàn dây ( Wire bond)

4 dây dẫn ( Lead frame)

5 cốc phản xạ ( Reflective cup)

6.Hai điê ̣n cực

2.3.2 Nguyên tắc hoạt động

Khi đặt vào chuyển tiếp P- N một điện trường từ bên ngoài, ta nói rằng trạngthái cân bằng của chuyển tiếp P-N đã bị phá vỡ Nếu điện trường ngoài E này cóchiều ngược với chiều của điện trường khuếch tán Ekt thì điện trường tổng cộngtrong vùng điện tích không gian sẽ bị giảm xuống, kết quả là các hạt tải cơ bản cókhả ngăng xích lại gần hơn với lớp tiếp xúc công nghệ và tái hợp lại với cácnguyên tử bất động đã bị ion hóa trước đây Vì vậy chiều rộng của vùng điện tíchkhông gian cũng bị thu hẹp lại và hành rào thế năng bị thấp xuống Khi hàng rào

thế năng bị hạ thấp, điện tử được “phun” (injection) từ phần n sang phần p và lỗ trống được phun từ phần p sang phần n Nồng độ điện tử n và nồng độ lỗ trống p

lớn, tái hợp bức xạ được tăng cường, lớp chuyển tiếp phát sáng, đó là hiện tượngđiện huỳnh quang

Sự tái hợp bức xạ xẩy ra trong lớp chuyển tiếp p-n chính là nguyên lý hoạt động của diod phát quang (Light Emitting Diode/ LED).

2.4 Vật liệu chế tạo LED

2.4.1 Các tiêu chuẩn về vật liệu

- Tiêu chuẩn thứ nhất: để chế tạo LED cũng như laser cần dùng các bán dẫn vùng cấm thẳng, mà tuyệt đại đa số là bán dẫn hợp chất AIIIBV

- Tiêu chuẩn thứ hai là bề rộng vùng cấm của vật liệu phải phù hợp với bướcsóng ánh sáng mà ta mong muốn

- Đây là những bán dẫn có bề rộng vùng cấm cố định

- Các bán dẫn vùng cấm rộng để phát xạ ánh sáng xanh (blue and green):

ZnSe (2,6 eV), ZnS (3,7 eV), SiC (2,996), GaN (3,3)

-Một số dung dịch rắn của các bán dẫn hợp chất AIIIBV dạng và có một tính chất

đặc biệt là bề rộng vùng cấm ∆Eg và bằng số mạng a phụ thuộc vào x

Alx In1-x P (1,351 + 2,23x) Gax In1-x P (1,351 + 0,643x + 0,786x2) Alx Ga1-x As (1,424 + 1,247x) Gax In1-x Sb (0,172 + 0,139x + 0,415x2)

0,7µm÷ 0,45µm

- Tiêu chuẩn thứ ba là sự phù hợp về cấu trúc và hằng số mạng

 Nguồn phát quang bán dẫn thường được chế tạo bằng phơng pháp

epitaxy trong đó lớp tích cực cỡ vài µm đợc nuôi trên lớp đế dày 200µm Nếu giữa

đế và lớp tích cực không có sự phù hợp tốt về hằng số mạng thỡ ở phân biên sẽ cónhiều lệch mạng (dislocation) và các khuyết tật khác, núàảnh hởng rất mạnh đếnđặc trưng của linh kiện phát quang

Các vật liệu làm đế thích hợp cho linh kiện phát quang là GaAs và InP có

bề rộng vùng cấm tơng ứng là 1,42 eV và 1,35 eV ứng với bớc sóng trong vùng