Đèn LED hoạt động như thế nào?
Mặc dù được sử dụng trong nhiều khía cạnh của cuộc sống hiện đại, chẳng hạn như chiếu sáng ngôi nhà của chúng ta, cấp nguồn cho màn hình điện thoại thông minh và điều hướng giao thông,-điốt phát quang (LED) khác với các công nghệ chiếu sáng thông thường hơn như bóng đèn sợi đốt hoặc bóng đèn huỳnh quang do tính chất vật lý bán dẫn phức tạp của chúng.đèn LEDsử dụng một quá trình được gọi là điện phát quang, đó là sự phát xạ của photon (hạt ánh sáng) khi một dòng điện chạy qua một vật liệu bán dẫn được chế tạo đặc biệt. Điều này trái ngược với đèn sợi đốt, tạo ra ánh sáng bằng cách đốt nóng dây tóc hoặc đèn huỳnh quang, sử dụng khí và bức xạ tia cực tím. Trước tiên chúng ta phải xem xét các nguyên tắc cơ bản của chất bán dẫn, thiết kế của đèn LED và quy trình tuần tự chuyển đổi điện thành ánh sáng khả kiến để hiểu điều này xảy ra như thế nào.
Cơ sở: Dải năng lượng và chất bán dẫn
Mọi đèn LED đều được cung cấp năng lượng bởi chất bán dẫn, một chất dẫn điện kém hơn chất dẫn điện (như đồng) nhưng tốt hơn chất cách điện (như thủy tinh). Các dải năng lượng điện tử-các vùng năng lượng mà điện tử có thể chiếm giữ-rất cần thiết cho hoạt động đặc biệt của chất bán dẫn. Các electron có các mức năng lượng riêng biệt trong mọi vật liệu, nhưng trong chất rắn, các mức năng lượng này kết hợp với nhau tạo thành hai dải chính: dải dẫn và dải hóa trị.
Các nguyên tử của vật liệu được liên kết với nhau theo cấu trúc tinh thể nhờ các electron trong dải hóa trị, chúng liên kết chặt chẽ với các nguyên tử. Tính dẫn điện được thực hiện nhờ các electron trong dải dẫn, chúng có thể tự do chạy qua chất. Vùng cấm, một dải năng lượng mà các electron không thể cư trú, tồn tại giữa hai dải này. Kích thước vùng cấm của vật liệu xác định xem nó là chất cách điện, dây dẫn hay chất bán dẫn: chất bán dẫn có khoảng cách vùng cấm nhỏ, có thể đo được (các electron có thể vượt qua vùng cấm với một lượng năng lượng đầu vào nhỏ, như dòng điện), chất dẫn điện không có vùng cấm (electron di chuyển tự do giữa các vùng) và chất cách điện có vùng cấm rất lớn (làm cho các electron khó nhảy vào vùng dẫn).
Chất bán dẫn được sử dụng trong đèn LED được "pha tạp", đây là một quy trình điều chỉnh các đặc tính điện của vật liệu bằng cách thêm một lượng tạp chất. Cả chất bán dẫn loại n- và loại p{2}} đều được tạo ra bằng cách pha tạp. Khi các nguyên tố có thêm electron, chẳng hạn như phốt pho, được pha tạp vào chất bán dẫn loại N{4}}, chúng sẽ chuyển động tự do trong vùng dẫn và mang lại cho vật liệu một điện tích âm. Các nguyên tố có ít electron hơn, như boron, được dùng để pha tạp chất bán dẫn loại P-. Điều này dẫn đến các "lỗ trống" hoặc các electron bị thiếu trong dải hóa trị, hoạt động như các điện tích dương và có thể đi qua vật liệu khi các electron lấp đầy chúng. Đèn LED hoạt động nhờ vào tiếp giáp p-n, là giao điểm của hai vùng pha tạp này.
Cấu trúc của đèn LED: Từ đầu ra ánh sáng đến điểm nối P{0}}N
Thiết kế đơn giản nhưng chính xác của đèn LED giúp tối đa hóa lượng ánh sáng phát ra đồng thời giảm tổn thất năng lượng. Điểm nối p{1}}n của nó nằm trong một lớp vật liệu bán dẫn mỏng, thường dựa trên gali-, chẳng hạn như gali arsenua hoặc gali nitrit. Chất nền, vật liệu nền tảng cung cấp hỗ trợ và hỗ trợ tản nhiệt, là nơi gắn lớp bán dẫn này. Điều này rất quan trọng vì quá nóng có thể rút ngắn tuổi thọ của đèn LED.
Một điện cực được gắn vào vùng loại p{0}}(cực dương, cực dương) và điện cực còn lại vào vùng loại n-(cực âm, cực âm) trên cùng của lớp bán dẫn. Một điện trường được tạo ra qua điểm nối p-n khi một điện áp được cung cấp trên các điện cực này (cực âm là âm và cực dương là dương). Các electron tự do của chất bán dẫn loại n-được trường này đẩy về phía điểm nối, trong khi các lỗ trống của chất bán dẫn loại p-được vẽ theo cùng một hướng.
Để ánh sáng tạo ra tại điểm nối p{0}}n thoát ra ngoài, lớp bán dẫn phải trong suốt hoặc bán trong suốt (hoặc có lớp phản chiếu ở một bên). Hiện đạiđèn LEDsử dụng các vật liệu như gallium nitride (GaN), trong suốt với ánh sáng khả kiến và đảm bảo rằng phần lớn các photon chạm tới bề mặt, trái ngược với các đèn LED đời đầu thường sử dụng vật liệu bán dẫn mờ đục để hạn chế lượng ánh sáng phát ra. Điểm nối p{1}}n của chất bán dẫn là nơi diễn ra quá trình tạo ánh sáng-sơ cấp, mặc dù một số đèn LED cũng có thấu kính hoặc lớp phủ để tập trung ánh sáng hoặc thay đổi màu sắc.
Bước 1: Sử dụng điện áp và tái hợp lỗ trống-
Một điện áp bên ngoài được cung cấp cho các điện cực của đèn LED sẽ bắt đầu quá trình phát xạ ánh sáng bằng cách thiết lập độ lệch thuận, đây là hướng thích hợp của dòng điện đối vớiDẪN ĐẾNhoạt động; mặt khác, phân cực ngược sẽ dừng dòng điện và không tạo ra ánh sáng. Các electron tự do từ vùng loại n-được gia tốc vào vùng loại p-và các lỗ trống từ vùng loại p-được gia tốc vào vùng loại n-bởi điện trường qua đường nối p-n khi áp dụng độ lệch thuận.
Những electron và lỗ trống này cuối cùng sẽ đến với nhau tại hoặc gần điểm nối p{0}}n khi chúng di chuyển theo cùng một hướng. Một electron tự do từ vùng dẫn của vùng loại n-"rơi" vào lỗ trống khi nó va chạm với lỗ trống từ vùng hóa trị của vùng loại p-, chuyển từ trạng thái năng lượng cao hơn trong vùng dẫn sang mức năng lượng thấp hơn trong vùng hóa trị. Electron và lỗ trống triệt tiêu lẫn nhau trong quá trình chuyển đổi này, được gọi là sự tái hợp, và năng lượng dư thừa mà chúng mất đi sẽ được phát ra dưới dạng photon.
Kích thước vùng cấm của chất bán dẫn ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng của photon này, tạo nên màu sắc của ánh sáng. Một photon có năng lượng cao hơn (và bước sóng ngắn hơn, chẳng hạn như ánh sáng xanh lam hoặc tím) được tạo ra khi một electron tái hợp với lỗ trống và mất nhiều năng lượng hơn do khoảng cách dải rộng hơn. Một photon có bước sóng dài hơn, chẳng hạn như ánh sáng đỏ hoặc cam và ít năng lượng hơn được tạo ra bởi khoảng cách dải nhỏ hơn.
Ví dụ:
Do khoảng cách dải hẹp, gallium arsenide (GaAs) phát ra ánh sáng đỏ có bước sóng khoảng 650 nm. Do khoảng cách dải rộng hơn, gallium nitride (GaN) phát ra ánh sáng xanh lam hoặc tím với bước sóng khoảng 450 nm.
Các nhà sản xuất có thể sửa đổi khoảng cách dải tần để sản xuất đèn LED tạo ra ánh sáng xanh lục, vàng hoặc thậm chí trắng bằng cách kết hợp nhiều vật liệu bán dẫn khác nhau (chẳng hạn như gali indium nitride hoặc InGaN) (xem thêm về đèn LED trắng bên dưới).
Bước 2: Khai thác hiệu quả và ánh sáng
Một số photon được tạo ra bởi quá trình tái hợp được hấp thụ bởi chính vật liệu bán dẫn, trong khi những photon khác phản xạ khỏi các điện cực hoặc điểm nối p{0}}n và được giải phóng dưới dạng nhiệt. Không phải tất cả các photon này đều rời khỏiDẪN ĐẾNnhư ánh sáng nhìn thấy được. Các nhà thiết kế đèn LED sử dụng một số chiến lược để tăng cường "khai thác ánh sáng" nhằm tối ưu hóa hiệu quả:
Chất nền trong suốt: Phần lớn ánh sáng bị giữ lại bởi các chất nền mờ đục (như germanium) được sử dụng trong đèn LED đời đầu. Các chất nền trong suốt, chẳng hạn như cacbua silic hoặc sapphire, được sử dụng trong đèn LED hiện đại để cho các photon chạm tới bề mặt.
Bề mặt có kết cấu: Để giảm lượng ánh sáng phản xạ trở lại vật liệu, bề mặt chất bán dẫn thường được khắc các hoa văn nhỏ, chẳng hạn như các vết lồi hoặc rãnh. Bằng cách thay đổi góc ánh sáng chiếu vào bề mặt, điều này làm tăng khả năng ánh sáng thoát ra thay vì phản xạ trở lại.
Lớp phản chiếu: Mặt sau của chất bán dẫn được phủ một lớp phản chiếu mỏng, thường được làm bằng kim loại như nhôm hoặc bạc. Lớp này làm tăng lượng ánh sáng rời khỏi đèn LED bằng cách phản xạ các photon mà nếu không sẽ bị mất qua lớp nền về phía trước của đèn LED.
Mặc dù ít hơn nhiều so với đèn sợi đốt, một phần năng lượng vẫn bị thất thoát dưới dạng nhiệt bất chấp những tiến bộ này. Chỉ 10–25% năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt trong đèn LED, với 75–90% năng lượng được chuyển thành ánh sáng, so với 90–95% ở đèn sợi đốt. Vì hiệu quả tuyệt vời nên đèn LED sử dụng ít năng lượng hơn rất nhiều so với đèn thông thường.
Cách thức hoạt động của đèn LED trắng: Một tình huống đặc biệt
Phần lớn đèn LED chỉ phát ra một màu hoặc ánh sáng đơn sắc, nhưng đèn LED trắng được sử dụng trong đèn pha, TV và đèn chiếu sáng trong nhà cần một chiến lược khác vì không có vật liệu bán dẫn nào có dải dải trực tiếp tạo ra ánh sáng trắng. Thay vào đó, đèn LED trắng sử dụng một trong hai kỹ thuật chính:
Chuyển đổi phốt pho: Màu xanhDẪN ĐẾN(làm bằng gali nitrit) được phủ một lớp lân quang màu vàng-một chất hấp thụ ánh sáng có bước sóng này và phát ra ánh sáng có bước sóng khác-được sử dụng trong kỹ thuật phổ biến nhất. Chất lân quang hấp thụ một số photon màu xanh lam do đèn LED màu xanh lam phát ra và -phát ra các photon màu vàng. Mắt chúng ta hiểu các photon xanh còn sót lại là ánh sáng trắng khi chúng kết hợp với các photon màu vàng. Các nhà sản xuất thêm một lượng nhỏ chất lân quang màu đỏ hoặc xanh lục vào lớp phủ để thay đổi nhiệt độ màu, hay còn gọi là “độ ấm” hoặc “mát” của ánh sáng trắng. Ví dụ: thêm ánh sáng xanh bổ sung sẽ tạo ra ánh sáng trắng mát (5.000K–6.500K), trong khi thêm phốt pho đỏ sẽ tạo ra ánh sáng trắng ấm (2.700K–3.000K).
Trộn RGB: Kỹ thuật ít phổ biến hơn này kết hợp ba đèn LED khác nhau-đỏ, xanh lục và xanh lam-vào một gói duy nhất. Ba màu kết hợp để tạo ra ánh sáng trắng (hoặc bất kỳ màu phổ nhìn thấy nào khác) bằng cách thay đổi độ sáng của từng đèn LED. Mặc dù kỹ thuật này tốn kém hơn so với chuyển đổi phốt pho nhưng nó được sử dụng trong các tình huống yêu cầu quản lý màu sắc chính xác, chẳng hạn như ánh sáng sân khấu hoặc-màn hình cao cấp.
Sự khác biệt giữa đèn LED và ánh sáng thông thường
Biết cách hoạt động của đèn LED giúp bạn dễ dàng biết lý do tại sao chúng hoạt động tốt hơn bóng đèn huỳnh quang và đèn sợi đốt ở hầu hết mọi danh mục:
Hiệu quả năng lượng: Đèn LED sử dụng điện phát quang, hiệu quả tự nhiên; Không giống như đèn sợi đốt tiêu tốn năng lượng để làm nóng dây tóc, đèn huỳnh quang không lãng phí năng lượng tạo ra bức xạ tia cực tím.
Tuổi thọ cao: Đèn LED không dễ cháy vì chúng không có bất kỳ bộ phận chuyển động hoặc dây tóc mỏng manh nào. Không giống như đèn sợi đốt có tuổi thọ 1.000–2.000 giờ, đèn LED có tuổi thọ 50.000–100.000 giờ do vật liệu bán dẫn xuống cấp dần dần theo thời gian.
Bật/Tắt tức thì: Không giống như đèn huỳnh quang cần vài giây để chiếu sáng hoàn toàn, đèn LED không có thời gian khởi động{0}}và kích hoạt để đạt độ sáng tối đa ngay lập tức.
Độ bền: Bởi vìđèn LEDlà các thiết bị điện tử ở trạng thái rắn, chúng có thể chịu được sốc, rung và nhiệt độ cao, khiến chúng trở nên hoàn hảo cho các ứng dụng ngoài trời hoặc các môi trường khắc nghiệt (chẳng hạn như ô tô hoặc nhà máy).
Tương lai của công nghệ LED
Những phát triển mới đang làm tăng tiềm năng của công nghệ LED khi các nhà nghiên cứu và kỹ sư tiếp tục cải tiến nó. Ví dụ:
QLED hoặc đèn LED chấm lượng tử: Chúng cải thiện độ sáng và độ chính xác của màu bằng cách sử dụng các chấm lượng tử, là các hạt bán dẫn nhỏ. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng làm cho QLED tiết kiệm năng lượng hơn-cho hệ thống chiếu sáng thông thường và chúng hiện được tìm thấy trong các-TV cao cấp.
Đèn LED siêu nhỏ: Những đèn LED cực kỳ nhỏ này, chỉ có đường kính vài micromet, có thể được nhóm lại thành các mảng dày đặc để tạo ra màn hình có độ phân giải cao hoặc độ sáng linh hoạt-. Điện thoại thông minh và TV trong tương lai được dự đoán sẽ sử dụng micro LED thay vì OLED vì tuổi thọ dài hơn và đầu ra tốt hơn.
Đèn LED Perovskite: So với các vật liệu làm từ gali-thông thường, perovskite là một loại vật liệu bán dẫn mới có chi phí sản xuất ít tốn kém hơn. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng tăng độ ổn định của đèn LED perovskite để sử dụng cho mục đích thương mại vì chúng đã chứng tỏ được triển vọng trong việc cung cấp ánh sáng hiệu quả, sáng sủa.
Tóm lại
đèn LEDlà những thiết bị rất đơn giản được chế tạo từ chất bán dẫn pha tạp với mối nối ap{0}}n sử dụng sự tái hợp lỗ electron-để biến đổi năng lượng điện thành ánh sáng. Chúng là một trong những công nghệ chiếu sáng hiệu quả và dễ thích ứng nhất từng được phát triển, nhưng tính đơn giản của chúng che giấu sự phức tạp trong kết cấu, bao gồm mọi thứ từ kỹ thuật khai thác ánh sáng đến điều chỉnh chính xác khoảng cách dải tần. Biết cách thức hoạt động của đèn LED cho phép chúng ta nắm bắt được cả khoa học phức tạp làm nền tảng cho chúng cũng như những lợi thế hữu ích của chúng (tuổi thọ dài hơn, chi phí năng lượng rẻ hơn). Khi công nghệ LED phát triển hơn nữa, công nghệ này có thể sẽ góp phần nhiều hơn vào việc giảm mức sử dụng năng lượng toàn cầu, ngăn chặn biến đổi khí hậu và ảnh hưởng đến thiết kế chiếu sáng trong tương lai-chứng minh rằng đôi khi những đột phá quan trọng nhất lại đến từ những nguyên tắc khoa học cơ bản nhất.
Công ty TNHH Công nghệ chiếu sáng Benwei Thâm Quyến
Điện thoại: +86 0755 27186329
Điện thoại di động(+86)18673599565
Whatsapp: 19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Web:www.benweilight.com
