Diode phát quang (LED)

Giới thiệu về Diode phát quang (LED) và ứng dụng Cấu tạo chuyển tiếp pn Nguyên lý của chuyển tiếp pn Hiệu suất lượng tử trong và hiệu suất lượng tử ngoài Đặc trưng điện quang. Phổ phát xạ Hàm đáp ứng thời gian Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát xạ Vật liệu chế tạo diode phát quang Diode phát quang có cấu trúc dị chất Diode phát quang phát xạ bờ bên Diode phát quang phát xạ bề mặt Phân loại LED về phổ phát xạ Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động Ứng dụng của diode phát quang (LED)

Seminar môn học:

QUANG ĐIỆN TỬ VÀ THÔNG TIN QUANG SỢI

Chủ đề: ĐIỐT PHÁT QUANG

(Light Emitting Diode)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT

Tổng quan về LED

Sơ lược về chuyển tiếp P-N

Các thông số đặc trưng và yếu tố ảnh hưởng

Vật liệu chế tạo

Nội dung

Nguyên lý của chuyển tiếp p-n

4 Hiệu suất lượng tử trong và Hiệu suất lượng tử ngoài

Hiệu suất lượng tử trong và hiệu suất lượng tử ngoài

5

Các thông số đặc trưng của diode phát quang

Đặc trưng điện quang Phổ phát xạ

9

Phân loại LED về cấu trúc của diode phát quang

Diode phát quang có cấu trúc dị chất

12 Phân loại LED về phổ phát xạ

Phân loại LED về phổ phát xạ

13 Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động

Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động

3

Giới thiệu về Diode phát quang (LED) và ứng dụng

- Khái niệm LED,

LED (Light Emitting Diode): là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối

bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n

5

Lịch sử phát triển LED

1907 – Hiện tượng biến điện thành ánh sáng được H J Round phát hiện.

1955 – Rubin Braunstein phát hiện ra sự phát xạ tia hồng ngoại từ GaAs và các bán dẫn khác.

1961 – Bob Biard, Gary Pittman tìm thấy GaAs cho bức xạ hồng ngoại khi có dòng điện chạy qua.

1962 – Nick Holonyak phát hiện ra LED đỏ.

1972 – M George Craford chế tạo ra LED vàng.

1976 – T P Pearsall lần đầu tiên chế tạo ra LED công suất cao.

1994 – Shuji Nakamura phát minh ra LED xanh da trời làm từ InGaN.

1995 – Alberto Barbieri khảo sát hiệu suất và độ bền của LED độ sáng lớn và đã thu được kết quả lớn bằng cách sử

dụng một tiếp xúc trong suốt làm từ ITO trên LED (AlGaInP/GaAs)

2001 – Quy trình cấy GaN lên chất nền SiO2 được thực hiện.

2012 – LED công suất lớn theo công nghệ trên được thương mại hóa

có thể thay đổi ánh sáng bằng điều khiển từ xa và màu sắc cực kì đa dạng -> đưa vào sử dụng

Một số hình ảnh ứng dụng của LED

Cấu tạo chuyển tiếp p-n

• Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo,

• Các loại hạt tải điện trong bán dẫn loại p và n,

• Cơ chế khuếch tán,

9

Trong bán dẫn thuần hay còn gọi là bán dẫn nội tại(intrinsic semiconductor) có mật độ electron tự do bằng với mật độ lỗ trống.

Trong thực tế, người ta sẽ tạo ra vật liệu bán dẫn trong đó mật độ electron lớn hơn mật độ lỗ trống (loại N) hoặc vật liệu bán dẫn có mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ electron tự do (loại P)

Các vật liệu bán dẫn này được gọi là bán dẫn có pha tạp chất

Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí của chuyển tiếp p-n

11

n-type p-type

Donor

Điện tử Acceptor

Lỗ trống

Vùng điện tích không gian

Ekt

Lớp tiếp xúc công nghệ

Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp p-n

Tiếp xúc

Trạng thái cân bằng nhiệt

Cơ chế khuếch tán

Gồm hai miền:

• Miền p: pha tạp acceptor;

• Miền n: pha tạp donor;

• Ở giữa là lớp tiếp xúc công nghệ.

EFEiEC

EV

Thế khuếch tán:

Cơ chế khuếch tán

Mật độ dòng khuếch tán các hạt tải không cơ bản lỗ trống khi phân cực thuận tại x = xn

Mật độ dòng khuếch tán các hạt tải không cơ bản điện tử khi phân cực thuận tại x = -xp

Mật độ dòng tổng cộng trong vùng chuyển tiếp p-n khi được phân cực thuận là:

Cấu tạo chuyển tiếp p-n

• Nguyên lí hoạt động của LED    

• Qúa trình bơm trong hoạt động cuả LED.

15

Chuyển tiếp P-N

Sự khuếch tán electron trên lớp chuyển tiếp P-N tạo

ra một điện thế rào cản (điện trường) trong vùng

nghèo

Sơ đồ khuếch tán lớp chuyển tiếp P-N

Chuyển tiếp P-N

 Bề dày tổng cộng lớp nghèo: W = xn+xp

 Điện trường cực đại Emtại x=0: Em = =

 Điện thế rào cản: Vbi=

 Tổng chiều dài vùng nghèo W phụ thuộc vào thế Vbi:

W

•  

17

Các đặc tính

a) Chuyển tiếp đột ngột 1 phía (NA>>ND) trong điều

kiện cân bằng.

Khi ta đặt điện áp thuận, hàng rào thế năng bị hạ thấp, điện tử được phun từ phần bán dẫn n sang p Tương tự lỗ trống được phun từ bán dẫn p sang n.

Quá trình tái hợp điện tử trong vùng bán dẫn với lỗ trống trong vùng hóa trị dẫn tới phát xạ photon được tăng cường và lớp chuyển tiếp phát sáng

Sự tái hợp bức xạ tự phát xảy ra trong lớp chuyển tiếp p-n chính là cơ chế hoạt động của diode phát quang (Light Emiting LED)

Diode-Tái hợp

Hiệu suất lượng tử trong - Hiệu suất lượng tử

ngoài

Hiệu suất lượng tử trong - Hiệu suất lượng tử

ngoài

21

Hiệu suất lượng tử trong

 Photon được phát sinh trên cơ sở bức xạ tự phát do quá trình

tái hợp của các điện tử ở lân cận cực tiểu vùng dẫn và lỗ trống

ở lân cận cực đại vùng hóa trị.

 Hiện tượng chuyển mức điện tử từ vùng dẫn xuống trạng

thái còn trống trong vùng hóa trị.

Hiệu suất lượng tử trong

1 Tổng quan nguyên lý

 Quá trính tái hợp xảy ra mạnh khi vùng dẫn có nhiều điện tử và dưới vùng hóa tri có nhiều lỗ trống.

Ở điều kiện cân bằng quá trình tài hợp hầu như không xảy ra do “Nồng độ điện tử hoặc lỗ trống thấp”.

 Chúng ta cần kích thích chất bán dẫn, hình thành nồng độ điện tử và lỗ trống dư ‘ quá trình bơm’

LED quá trình bơm được thực hiện bằng phương pháp phun hạt dẫn trên cơ sở sử dụng cấu trúc phân cực thuận.

2 HỆ SỐ PHUN

Conduction band

Valance band

 Dòng điện thuận chủ yếu gây bởi dòng khuếch tán hạt dẫn

không cơ bản đi qua tiếp xúc

3.Hiệu suất lượng tử nội

 Là tỷ số giữ số tái hợp phát bức xạ tạo photon trên tổng số tái hợp

 Tái hợp phát bức xạ được đặc trưng bởi thời gian sống

 Tái hợp không phát bức xạ được đặc trưng bởi thời gian sống

 Thời gian trung bình hạt dẫn tồn tại cho đến khi tái hợp là

Hiệu suất lượng tử trong

 Là tích của hệ số phun và hiệu suất lượng tử nội

=  

 Tăng hiệu suất phát xạ photon trong LED:

 Giảm thời gian sống tức cần tăng nồng độ tập axeptor Na

 Tăng tức giảm sai hỏng trong tinh thể bán dẫn.

 Mà nồng độ Axeptor tăng sẽ đồng thời là giảm hiệu suất phun hạt dẫn

 Vậy để đạt hiêu suất cao nhất cần độ pha tập tối ưu xác định

Hiệu suất lượng tử ngoài

Photon phát xạ trong LED có thể bị thất thoát do:

Photon phát xạ trong LED có thể bị thất thoát do:

1 Quá trình tái hấp thụ photon làm phát sinh cặp điện tử lỗ trống.

2 Quá trình phản xạ quang bề mặt phân biên bán dẫn-không khí

3 Quá trình phản xạ toàn phần

Khắc phục hấp thụ

1 Giảm lượng photon bị tái hấp thụ

 Giảm khoảng cách từ nơi phát sinh photon đến bề mặt của diode phát quang

 Trong bán dẫn vùng cấm thẳng , photon đi được 1um đã bị hấp thụ vì

Khắc phục hấp thụ

29

2 Giảm thiểu thành phần phản xạ

 Photon khi truyền ra ngoài có thể bị phản xạ ở

phân biên bán dẫn- không khí

R  

 Hệ số phản xạ

 Để giảm hệ số phản xạ ta phủ lên bề mặt chip

diode một lớp mũ điện môi có chiết suất cao hơn

không khí

là chiết suất của bán dẫn

là chiết suất của không khí

Hinh 3 LED được phủ lớp mũ điện môi

Khắc phục hấp thụ

3 Giảm thiểu thành phần phản xạ toàn phần

 Sự thất thoát photon xảy ra do hiện tượng phản xạ ở phân biên bán dẫn – không khí

    Các thông số đặc trưng  

31

Đặc trưng quang điện

• Sự phụ thuộc giữa dòng photon phát xạ của diode () và dòng điện chạy qua diode được phân cực thuận ()

• : hiệu suất tổng cộng của quá trình chuyển đổi

phụ thuộc dòng điện thuận (do thời gian sống tái hợp bức xạ phụ thuộc mức phun hạt dẫn)

•  

Đặc trưng quang điện

=> Linh kiện bị nóng

=> hiệu suất tái hợp  bức xạ giảm

• Đối với LED phát quang bề mặt, sự giảm công suất tăng

theo quy luật siêu tuyến tính

Nguyên nhân: hiện tượng tái hợp bức xạ kích thích

33

Sự phụ thuộc dòng photon vào dòng điện thuận

Phổ phát xạ

• Trong thông tin quang sợi, độ sạch phổ có ý nghĩa cực kì quan trọng

• Ánh sáng không đơn sắc lan truyền trong môi trường sẽ gây nên hiện tượng tán sắc

=> Giãn xung, giảm độ rộng băng thông

• Quang phổ phát xạ do tái hợp bức xạ tự phát

• : xác suất điền đầy điện tử ở vùng dẫn

• : xác suất xuất hiện lỗ trống ở vùng hóa trị

•  

Độ rộng phổ của Diode phát quang ~ 20 nm

=> làm nguồn sáng trong hệ thông tin quang có đường truyền ở cự li gần

Hàm đáp ứng thời gian

Diode phát quang

 Chức năng: chuyển đổi tín hiệu điện thành quang

 Tín hiệu: dạng tương tự hoặc dạng số

37

Sơ đồ mạch điện điều biến tín hiệu ra của diode phát quang

 Để phát tín hiệu quang với tần số cao, rõ ràng thì phải có

tốc độ đáp ứng cao

Phân cực thuận cho diode

 Hạt dẫn không cơ bản dư tái hợp với hạt dẫn cơ bản gây nên tái hợp bức xạ

 Tín hiệu ra phụ thuộc nồng độ hạt dẫn phun vào vùng hoạt

động

 Tốc độ đáp ứng của diode phát quang: thời gian cần thiết để

giải tỏa hạt dẫn phun vào vùng hoạt động

: tiết diện ngang của diode

: thời gian sống của điện tử:

 Đối với diode phát quang có chất lượng cao, ta có thể bỏ qua các sai hỏng cấu trúc và coi

•  

Hàm đáp ứng thời gian

 Băng thông điều biến fc được xác định bởi tần số mà ở đó công suất bằng ½ giá trị công suất bằng 0 :

 Tại tần số fc, ta xác định được băng thông gọi là băng thông 3 dB

•  

41

Đồ thị hàm đáp ứng thời gian phụ thuộc tần số

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát xạ

- Hiệu ứng dòng dò hạt dẫn phun vào vùng tiếp xúc ở nhiệt độ cao,

- Hiệu ứng tái hợp Auger,

43

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự phát xạ

Nhiệt độ và hoạt động của LED:

30-50% năng lượng  ánh sáng, còn lại là nhiệt

Nhiệt độ chuyển tiếp Tj: nhiệt độ vùng xảy ra quá trình tái hợp điện tử - lỗ trống: tiếp

giáp p-n, vùng tích cực

Tj phụ thuộc vào:

 Nhiệt độ hoạt động: dòng điện bơm,

 Nhiệt độ môi trường.

 Tản nhiệt của LED.

Tản nhiệt cho LED: 90% truyền nhiệt, 10% đối lưu, phát xạ

Tác động nhiệt độ đến các đặc trưng phát xạ:

Dòng dò hạt tải ở nhiệt độ cao

Tái hợp Auger

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự phát xạ

Hiện tượng dòng dò hạt tải ở nhiệt độ cao.

45

Nhiệt độ thấp:

 Hạt tải được bơm vào vùng tích cực

 Hạt tải có năng lượng lớn hơn rào thế rất ít

 Chủ yếu xảy ra quá trình tái hợp

 Dòng dò thấp

Nhiệt độ cao:

 Hạt tải có năng lượng đủ lớn vượt qua hàng rào thế  Dòng dò

 Dòng phun lớn, nhiệt độ cao  Tăng dòng dò

 Dòng dò có thể chiếm 20-30% dòng tổng cộng, không tham gia vào quá trình phát xạ

 Giảm hiệu suất đáng kể

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự phát xạ

Tái hợp Auger:

Hiện tượng tái hợp không phát xạ.

• Năng lượng quá trình tái hợp truyền cho 1 hạt tải thứ 3

• Hạt tải này có năng lượng lớn hơn, truyền năng lượng cho mạng tinh thể (nhiệt).

Tái hợp Auger không phát xạ photon, làm tăng nhiệt độ chuyển tiếp

Giảm hiệu suất phát xạ.

Tái hợp Auger trực tiếp

Tái hợp Auger gián tiếp: III-V (N)

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự phát xạ

Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến hoạt động của LED:

47

Hiệu suất phát xạ

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự phát xạ

Giải pháp hạn chế sự suy giảm hiệu suất phát xạ do nhiệt độ:

Tăng kích thước vùng tích cực, tăng độ cao rào thế  Giảm dòng dò

Sử dụng nguồn nuôi dạng xung  Tránh đốt nóng LED, dòng phun cao

Vật liệu chế tạo diode phát quang

- Tiêu chuẩn lựa chọn vật liệu,

- Màu sắc phát quang và vật liệu,

- Phân biệt bán dẫn vùng cấm thẳng và vùng cấm xiên.

Materials for LED

Cấu tạo của LED

Cấu tạo của LED: Gồm có 6 phần chính

1 Vỏ nhựa Epoxy (epoxy case)

2 Vùng hàn dây (wire bond)

(4)

(5)

(6)

Vật liệu chế tạo LED

Các tiêu chuẩn về vật liệu

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 eV), GaN (3,3 eV)

Phân loại bán dẫn theo vùng cấm

Bán dẫn vùng cấm thẳng: có mức năng lượng thấp nhất vùng dẫn và mức cao nhất vùng hóa trị xuất hiện ở cùng giá trị vector sóng k.

Bán dẫn vùng cấm xiên: có mức năng lượng thấp nhất vùng dẫn và mức cao nhất vùng hóa trị không xuất hiện ở cùng giá trị vector sóng k.

© 1999 S.O Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) 52

(a) In GaAs the minimum of the CB is directly above the maximum of the VB GaAs is

therefore a direct bandgap semiconductor (b) In Si, the minimum of the CB is displaced from

the maximum of the VB and Si is an indirect bandgap semiconductor (c) Recombination of

(a) In GaAs the minimum of the CB is directly above the maximum of the VB GaAs is

therefore a direct bandgap semiconductor (b) In Si, the minimum of the CB is displaced from the maximum of the VB and Si is an indirect bandgap semiconductor (c) Recombination of

Vùng cấm xiên

Vật liệu chế tạo LED

Các tiêu chuẩn về vật liệu

Một số dung dịch rắn của các bán dẫn hợp chất AIIIBV có bề rộng vùng cấm ∆Eg và hằng số mạng a phụ thuộc vào x:

Các LED với mục đích hiển thị phải có ánh sáng bức xạ với bước sóng từ 0,7 µm-0,45µm

Bước sóng có độ tổn hao thấp trong sợi quang thủy tinh (0,85 µm; 1,3 µm; 1,55 µm)

Hằng số mạng của hợp kim (dung dịch rắn) AxB1-x được biểu diễn bằng công thức:

Sự chuyển loại vùng cấm của dung dịch rắn

Vật liệu chế tạo LED

0 0,4 1,0 GaAs AlAs

GaxAl1-xAs 3,0

Vùng cấm xiên

Vùng cấm xiên

Vật liệu chế tạo LED

Màu sắc và vật liệu

Những LED truyền thống được tạo ra bởi các vật liệu bán dẫn,

tạo nên sự đa dạng màu sắc, bước sóng từ các vật liệu tạo

Cấu trúc diode phát quang

59

Phân cực ngược : vùng nghèo mở rộng ra, các điện tử và các lỗ trống khó gặp nhau để tái hợp phát ra ánh sáng

Phân cực thuận: vùng nghèo hẹp lại hay hàng rào thế thấp xuống các điện tử và lỗ trống được bơm vào vùng nghèo dễ dàng tái hợp phát ra ánh sáng

Cấu trúc diode phát quang (LED)

 Có hai loại cấu trúc được sử dụng rộng rãi đó là cấu trúc đồng chất và cấu trúc dị chất

Diode phát quang đồng chất:

 Để tăng hiệu suất phát quang chúng ta cần phải làm cho vùng phát xạ photon xảy ra ở sát bề mặt để giảm quá trình tái hấp thụ.Tuy nhiên, ở gần bề mặt tinh thể có nhiều khuyết tật gây ra quá trình tái hợp không bức xạ không mong muốn

một khoảng cách lớn trước khi tái hợp phát xạ với lỗ trống Vì vậy vùng thể tích hiệu dụng từ đó phát ra photon tương đối rộng.

61

Cấu trúc diode phát quang (LED)

Diode phát quang dị chất:

 Hoạt động theo cơ chế phát xạ tự phát

của vật liệu bán dẫn có vung cấm nhỏ Trong trường hợp này điện tử không thể đi sâu vào lớp bán dẫn p vì bị giam giữ trong hố thế năng vùng dẫn của lớp tích cực rất mỏng dẫn tới tránh được ảnh hưởng của những sai hỏng bề mặt

 Các photon phát xạ từ lớp tích cực không bị hấp

thụ trong lớp bán dẫn bề mặt và lớp bán dẫn đáy

vì năng lượng của chúng nhỏ hơn bề rộng vùng

cấm của hai lớp bán dẫn đó.

Diode phát quang phát xạ bờ bên

Diode phát quang phát xạ bờ bên

Trong thông tin quang, vấn đề nâng cao hiệu suất ghép nối giữa điốt phát quang và sợi quang là rất quan trọng

Điốt phát quang phát xạ bề mặt đã được thiết kế chế tạo trên cơ sở cấu trúc chuyển tiếp dị chất để tăng hiệu suất ghép nối

Loại điốt phát quang này có cấu trúc giống với laser điốt, chỉ khác ở đây không tạo ra cấu trúc buồng cộng hưởng để thực hiện phản hồi dương như laser

65

Diode phát quang phát xạ bờ bên

Trong cấu trúc điốt phát quang phát xạ bờ bên hai lớp p+ InGaAsP và n+ InGaAsP có bề rộng vùng cấm lớn và có chiết suất nhỏ so với lớp tích cực đã tạo ra cấu trúc không chỉ có khả năng nhốt điện tử lỗ trống mà còn có cả khả năng nhốt photon như trong linh kiện dẫn sóng.Khi đó các photon được phát sinh trong vùng tích cực sẽ lan truyền dọc theo trục điốt phát quang và phát ra ngoài từ bờ bên của linh kiện

Diode phát quang phát xạ bờ bên

• Khả năng chuẩn trực cao của điốt quang phát xạ bờ bên (góc mở 30° theo phương vuông góc các lớp và 120 ° theo phương song song) cho phép tăng cường hiệu quả ghép nối tín hiệu quang và sợi quang rất cao 

67

Diode phát quang phát xạ bề mặt