Diode phát quang là gì: Làm việc và ứng dụng của nó

Điốt phát quang là một nguồn sáng bán dẫn hai dẫn. Năm 1962, Nick Holonyak đã nảy ra ý tưởng về một chiếc diode phát quang và ông đang làm việc cho công ty điện lực nói chung. Đèn LED là một loại diode đặc biệt và chúng có các đặc tính điện tương tự như diode tiếp giáp PN. Do đó đèn LED cho phép dòng điện chạy theo hướng thuận và chặn dòng điện theo hướng ngược lại. Đèn LED chiếm một diện tích nhỏ hơn 1 mm^hai . Các ứng dụng của đèn LED được sử dụng để thực hiện các dự án điện và điện tử khác nhau. Trong bài này, chúng ta sẽ thảo luận về nguyên lý hoạt động của đèn LED và các ứng dụng của nó.

Diode phát quang là gì?

Điốt phát quang là một diode tiếp giáp p-n . Nó là một diode được pha tạp chất đặc biệt và được tạo thành từ một loại chất bán dẫn đặc biệt. Khi ánh sáng phát ra phân cực thuận, thì nó được gọi là điốt phát quang.

Điốt phát sáng

Biểu tượng LED

Biểu tượng LED tương tự như ký hiệu điốt ngoại trừ hai mũi tên nhỏ chỉ rõ sự phát ra ánh sáng, do đó nó được gọi là LED (điốt phát quang). Đèn LED bao gồm hai cực là cực dương (+) và cực âm (-). Biểu tượng LED được hiển thị bên dưới.

Biểu tượng LED

Cấu tạo của đèn LED

Cấu tạo của LED rất đơn giản vì nó được thiết kế thông qua sự lắng đọng của ba lớp vật liệu bán dẫn trên một chất nền. Ba lớp này được sắp xếp lần lượt trong đó vùng trên cùng là vùng loại P, vùng giữa đang hoạt động và cuối cùng, vùng dưới cùng là vùng loại N. Ba vùng của vật liệu bán dẫn có thể được quan sát trong cấu trúc. Trong cấu trúc, vùng loại P bao gồm các lỗ, vùng loại N bao gồm các bầu trong khi vùng hoạt động bao gồm cả lỗ trống và electron.

Khi không đặt điện áp vào đèn LED thì không có dòng electron và lỗ trống nên chúng ổn định. Khi điện áp được đặt vào thì đèn LED sẽ phân cực thuận, do đó các điện tử trong vùng N và các lỗ trống từ vùng P sẽ di chuyển đến vùng hoạt động. Vùng này còn được gọi là vùng cạn kiệt. Vì các hạt mang điện tích như lỗ trống bao gồm điện tích dương trong khi các electron có điện tích âm nên ánh sáng có thể được tạo ra thông qua sự tái hợp các điện tích phân cực.

Diode phát quang hoạt động như thế nào?

Diode phát quang đơn giản, chúng ta biết đến như một diode. Khi diode được phân cực thuận, khi đó các điện tử & lỗ trống di chuyển nhanh qua đường giao nhau và chúng được kết hợp liên tục, loại bỏ nhau. Ngay sau khi các electron chuyển từ silicon loại n sang silicon loại p, nó kết hợp với các lỗ trống, rồi nó biến mất. Do đó, nó làm cho nguyên tử hoàn chỉnh & ổn định hơn và nó cung cấp một chùm năng lượng nhỏ dưới dạng một gói nhỏ hoặc photon ánh sáng.

Hoạt động của Diode phát quang

Sơ đồ trên cho thấy cách hoạt động của diode phát sáng và quy trình từng bước của sơ đồ.

• Từ sơ đồ trên, chúng ta có thể quan sát rằng silicon loại N có màu đỏ bao gồm các electron được biểu thị bằng các vòng tròn màu đen.
• Silicon loại P có màu xanh lam và có các lỗ, chúng được biểu thị bằng các vòng tròn màu trắng.
• Nguồn cung cấp qua tiếp giáp p-n làm cho diode bị phân cực thuận và đẩy các điện tử từ loại n sang loại p. Đẩy các lỗ theo hướng ngược lại.
• Electron và lỗ trống ở đường giao nhau được kết hợp với nhau.
• Các photon được phát ra khi các electron và lỗ trống được tái kết hợp.

Lịch sử của Diode phát quang

Đèn LED được phát minh vào năm 1927 nhưng không phải là một phát minh mới. Dưới đây là một bản đánh giá ngắn về lịch sử LED.

• Vào năm 1927, Oleg Losev (nhà phát minh người Nga) đã tạo ra đèn LED đầu tiên và công bố một số lý thuyết về nghiên cứu của mình.
• Vào năm 1952, Giáo sư Kurt Lechovec đã thử nghiệm các lý thuyết của lý thuyết Losers và giải thích về các đèn LED đầu tiên
• Vào năm 1958, đèn LED xanh đầu tiên được phát minh bởi Rubin Braunstein & Egon Loebner
• Vào năm 1962, đèn LED đỏ được phát triển bởi Nick Holonyak. Vì vậy, đèn LED đầu tiên được tạo ra.
• Vào năm 1964, lần đầu tiên IBM triển khai đèn LED trên bảng mạch trên máy tính.
• Vào năm 1968, HP (Hewlett Packard) bắt đầu sử dụng đèn LED trong máy tính.
• Vào năm 1971, Jacques Pankove và Edward Miller đã được phát minh ra đèn LED màu xanh lam
• Vào năm 1972, M. George Crawford (Kỹ sư điện) đã phát minh ra đèn LED màu vàng.
• Vào năm 1986, Walden C. Rhines & Herbert Maruska từ Đại học Stafford đã phát minh ra đèn LED màu xanh với Magie bao gồm các tiêu chuẩn trong tương lai.
• Vào năm 1993, Hiroshi Amano & Nhà vật lý Isamu Akaski đã phát triển một Gallium Nitride với đèn LED màu xanh chất lượng cao.
• Một kỹ sư điện như Shuji Nakamura đã được phát triển đèn LED màu xanh lam đầu tiên với độ sáng cao thông qua sự phát triển của Amanos & Akaski, nhanh chóng dẫn đến sự mở rộng của đèn LED màu trắng.
  Vào năm 2002, đèn LED màu trắng được sử dụng cho các mục đích dân dụng với bộ sạc khoảng £ 80 đến £ 100 cho mỗi bóng đèn.
• Trong năm 2008, đèn LED đã trở nên rất phổ biến trong các văn phòng, bệnh viện và trường học.
• Vào năm 2019, đèn LED đã trở thành nguồn sáng chính
• Sự phát triển của đèn LED là đáng kinh ngạc, vì nó có nhiều loại từ chỉ số nhỏ để chiếu sáng văn phòng, nhà ở, trường học, bệnh viện, v.v.

Mạch điốt phát sáng cho xu hướng

Hầu hết các đèn LED có xếp hạng điện áp từ 1 volt-3 volt trong khi xếp hạng dòng chuyển tiếp nằm trong khoảng 200 mA-100 mA.

Xu hướng LED

Nếu điện áp (1V đến 3V) được áp dụng cho đèn LED, thì nó hoạt động bình thường do dòng điện cho điện áp được đặt sẽ nằm trong phạm vi hoạt động. Tương tự, nếu điện áp đặt vào đèn LED cao hơn điện áp hoạt động thì vùng suy giảm bên trong điốt phát sáng sẽ bị phá vỡ do dòng điện lớn. Dòng điện cao bất ngờ này sẽ làm hỏng thiết bị.

Điều này có thể tránh được bằng cách mắc nối tiếp điện trở với nguồn điện áp và đèn LED. Xếp hạng điện áp an toàn của đèn LED sẽ nằm trong khoảng từ 1V đến 3 V trong khi xếp hạng dòng điện an toàn nằm trong khoảng từ 200 mA đến 100 mA.

Ở đây, điện trở được bố trí ở giữa nguồn điện áp và đèn LED được gọi là điện trở giới hạn dòng điện vì điện trở này hạn chế dòng chảy của dòng điện nếu không đèn LED có thể phá hủy nó. Vì vậy điện trở này đóng vai trò chủ đạo trong việc bảo vệ đèn LED.

Về mặt toán học, dòng điện chạy qua đèn LED có thể được viết là

IF = Vs - VD / Rs

Ở đâu,

‘IF‘ là dòng chuyển tiếp

‘Vs’ là nguồn điện áp

‘VD’ là điện áp giảm trên điốt phát sáng

‘Rs’ là điện trở hạn chế dòng điện

Lượng điện áp giảm xuống để đánh bại rào cản của vùng cạn kiệt. Sự sụt giảm điện áp của đèn LED sẽ nằm trong khoảng từ 2V đến 3V trong khi diode Si hoặc Ge là 0,3 nếu không thì 0,7 V.

Do đó, đèn LED có thể hoạt động bằng cách sử dụng điện áp cao so với điốt Si hoặc Ge.
Điốt phát quang tiêu tốn nhiều năng lượng hơn điốt silicon hoặc germani để hoạt động.

Các loại điốt phát quang

Có các loại điốt phát sáng khác nhau hiện tại và một số trong số chúng được đề cập dưới đây.

• Gallium Arsenide (GaAs) - tia hồng ngoại
• Gali Arsenide Phosphide (GaAsP) - đỏ đến hồng ngoại, cam
• Nhôm Gali Arsenide Phosphide (AlGaAsP) - đỏ có độ sáng cao, đỏ cam, cam và vàng
• Gali Phosphide (GaP) - đỏ, vàng và xanh lục
• Nhôm Gali Phosphide (AlGaP) - xanh
• Gali Nitride (GaN) - xanh lục, xanh lục bảo
• Gali Indium Nitride (GaInN) - gần tia cực tím, xanh lục hơi xanh và xanh lam
• Silicon cacbua (SiC) - màu xanh lam làm chất nền
• Kẽm Selenide (ZnSe) - xanh lam
• Nhôm Gali Nitride (AlGaN) - tia cực tím

Nguyên lý làm việc của đèn LED

Nguyên lý hoạt động của Diode phát quang dựa trên lý thuyết lượng tử. Lý thuyết lượng tử nói rằng khi electron đi xuống từ mức năng lượng cao hơn xuống mức năng lượng thấp hơn thì năng lượng phát ra từ photon. Năng lượng photon bằng khoảng cách năng lượng giữa hai mức năng lượng này. Nếu diode tiếp giáp PN được phân cực thuận, thì dòng điện chạy qua diode.

Nguyên lý làm việc của đèn LED

Dòng điện chạy trong chất bán dẫn là do dòng lỗ trống chuyển động ngược chiều dòng điện và dòng electron chuyển động có hướng. Do đó sẽ có sự tái tổ hợp do dòng chảy của các hạt mang điện tích này.

Sự tái kết hợp chỉ ra rằng các điện tử trong vùng dẫn nhảy xuống vùng hoá trị. Khi các electron nhảy từ dải này sang dải khác các electron sẽ phát ra năng lượng điện từ dưới dạng photon và năng lượng của photon bằng khoảng trống năng lượng cấm.

Ví dụ, chúng ta hãy xem xét lý thuyết lượng tử, năng lượng của photon là sản phẩm của cả hằng số Planck và tần số của bức xạ điện từ. Phương trình toán học được hiển thị

Eq = hf

Trong đó nó được gọi là hằng số Planck, và vận tốc của bức xạ điện từ bằng tốc độ ánh sáng, tức là c. Bức xạ tần số liên quan đến vận tốc ánh sáng là f = c / λ. λ được ký hiệu là bước sóng của bức xạ điện từ và phương trình trên sẽ trở thành

Eq = anh ấy / λ

Từ phương trình trên, ta có thể nói rằng bước sóng của bức xạ điện từ tỷ lệ nghịch với khe cấm. Nói chung, chất bán dẫn silicon, gecmani khoảng cách năng lượng bị cấm này nằm giữa vùng điều kiện và dải hóa trị sao cho tổng bức xạ của sóng điện từ trong quá trình tái kết hợp ở dạng bức xạ hồng ngoại. Chúng ta không thể nhìn thấy bước sóng của tia hồng ngoại vì chúng nằm ngoài phạm vi nhìn thấy của chúng ta.

Bức xạ hồng ngoại được cho là nhiệt vì silicon và chất bán dẫn germani không phải là chất bán dẫn khe hở trực tiếp mà đây là chất bán dẫn khe hở gián tiếp. Nhưng trong chất bán dẫn có khe hở trực tiếp, mức năng lượng cực đại của vùng hóa trị và mức năng lượng tối thiểu của vùng dẫn không xảy ra tại cùng một thời điểm của các electron. Do đó, trong quá trình tái kết hợp các điện tử và lỗ trống là sự di chuyển của các điện tử từ vùng dẫn sang vùng hóa trị, động lượng của vùng điện tử sẽ bị thay đổi.

Đèn LED trắng

Việc sản xuất đèn LED có thể được thực hiện thông qua hai kỹ thuật. Trong kỹ thuật đầu tiên, các chip LED như đỏ, xanh lá cây và xanh lam được hợp nhất trong một gói tương tự để tạo ra ánh sáng trắng trong khi trong kỹ thuật thứ hai, sự phát quang được sử dụng. Sự phát huỳnh quang trong phosphor có thể được tóm tắt trong epoxy xung quanh, sau đó đèn LED sẽ được kích hoạt thông qua năng lượng bước sóng ngắn bằng cách sử dụng thiết bị LED InGaN.

Các đèn màu khác nhau như đèn xanh lam, xanh lục và đèn đỏ được kết hợp với số lượng có thể thay đổi được để tạo ra cảm giác màu sắc khác nhau được gọi là màu phụ gia chính. Ba cường độ ánh sáng này được cộng bằng nhau để tạo ra ánh sáng trắng.

Tuy nhiên, để đạt được sự kết hợp này thông qua sự kết hợp của các đèn LED xanh lục, xanh lam và đỏ cần thiết kế điện quang phức tạp để kiểm soát sự kết hợp và khuếch tán của các màu khác nhau. Hơn nữa, cách tiếp cận này có thể phức tạp vì những thay đổi trong màu đèn LED.

Dòng sản phẩm đèn LED trắng chủ yếu phụ thuộc vào một chip LED duy nhất sử dụng lớp phủ phosphor Lớp phủ này tạo ra ánh sáng trắng sau khi bị tia cực tím chiếu qua các photon xanh lam. Nguyên tắc tương tự cũng được áp dụng cho bóng đèn huỳnh quang, sự phát xạ tia cực tím từ sự phóng điện trong ống sẽ làm cho photpho nhấp nháy màu trắng.

Mặc dù quá trình này của đèn LED có thể tạo ra các màu sắc khác nhau, sự khác biệt có thể được kiểm soát bằng cách sàng lọc. Các thiết bị dựa trên đèn LED trắng được sàng lọc bằng cách sử dụng bốn tọa độ màu chính xác nằm liền kề với tâm của sơ đồ CIE.

Biểu đồ CIE mô tả tất cả các tọa độ màu có thể đạt được trong đường cong hình móng ngựa. Màu sạch nằm trên vòng cung, nhưng đầu màu trắng nằm ở giữa. Màu đầu ra của đèn LED trắng có thể được biểu diễn thông qua bốn điểm được biểu diễn ở giữa biểu đồ. Mặc dù bốn tọa độ đồ thị gần với màu trắng sạch, các đèn LED này thường không hiệu quả như nguồn sáng thông thường để làm sáng các thấu kính màu.

Những đèn LED này chủ yếu hữu ích cho các thấu kính màu trắng, nếu không, các thấu kính trong suốt, đèn nền mờ, Khi công nghệ này tiếp tục phát triển, đèn LED trắng chắc chắn sẽ nổi tiếng như một nguồn chiếu sáng & chỉ dẫn.

Hiệu quả chiếu sáng

Hiệu suất phát sáng của đèn LED có thể được định nghĩa là quang thông được tạo ra tính bằng lm cho mỗi đơn vị và công suất điện có thể được sử dụng trong khoảng W. Thứ tự hiệu quả nội bộ được đánh giá của đèn LED màu xanh là 75 lm / W Đèn LED màu hổ phách có 500 lm / W & đỏ Đèn LED có 155 lm / W. Do khả năng tái hấp thụ bên trong, các tổn thất có thể được xem xét theo thứ tự của hiệu quả phát sáng trong khoảng từ 20 đến 25 lm / W đối với đèn LED màu xanh lá cây và màu hổ phách. Định nghĩa hiệu quả này còn được gọi là hiệu quả bên ngoài và tương tự với định nghĩa hiệu quả thường được sử dụng cho các loại nguồn sáng khác như đèn LED nhiều màu.

Điốt phát sáng nhiều màu

Một diode phát sáng tạo ra một màu khi chúng được kết nối theo phân cực thuận & tạo ra một màu khi chúng được kết nối theo phân cực ngược được gọi là LED nhiều màu.

Trên thực tế, những đèn LED này bao gồm hai điểm nối PN và kết nối này có thể được thực hiện song song với cực dương của một cái được liên kết với cực âm của cái khác.

Đèn LED nhiều màu thường có màu đỏ khi chúng lệch về một hướng và màu xanh lục khi chúng lệch về hướng khác. Nếu đèn LED này BẬT rất nhanh giữa hai cực, thì đèn LED này sẽ tạo ra màu thứ ba. Đèn LED màu xanh lá cây hoặc màu đỏ sẽ tạo ra ánh sáng màu vàng sau khi chuyển đổi nhanh chóng về phía sau và chuyển tiếp giữa các phân cực xu hướng.

Sự khác biệt giữa Diode và LED là gì?

Sự khác biệt chính giữa điốt và đèn LED bao gồm những điều sau đây.

Đặc điểm I-V của LED

Có nhiều loại điốt phát sáng khác nhau có sẵn trên thị trường và có các đặc tính LED khác nhau bao gồm ánh sáng màu, hoặc bức xạ bước sóng, cường độ ánh sáng. Đặc tính quan trọng của đèn LED là màu sắc. Khi bắt đầu sử dụng đèn LED, chỉ có màu đỏ. Khi việc sử dụng đèn LED tăng lên với sự trợ giúp của quá trình bán dẫn và thực hiện nghiên cứu về các kim loại mới cho đèn LED, các màu sắc khác nhau đã được hình thành.

Đặc điểm I-V của LED

Đồ thị sau đây cho thấy các đường cong gần đúng giữa điện áp và cường độ dòng điện. Mỗi đường cong trong biểu đồ chỉ ra một màu khác nhau. Bảng hiển thị tóm tắt các đặc tính của đèn LED.

Đặc điểm của đèn LED

Hai loại cấu hình LED là gì?

Các cấu hình tiêu chuẩn của đèn LED giống như hai bộ phát cũng như COB

Bộ phát là một khuôn duy nhất được gắn về phía bảng mạch, sau đó đến bộ tản nhiệt. Bảng mạch này cung cấp năng lượng điện về phía bộ phát, đồng thời hút bớt nhiệt.

Để hỗ trợ giảm chi phí cũng như tăng cường độ đồng nhất của ánh sáng, các nhà điều tra đã xác định rằng đế LED có thể được tháo rời và đế đơn có thể được gắn công khai vào bảng mạch. Vì vậy thiết kế này được gọi là COB (chip-on-board array).

Ưu điểm và nhược điểm của đèn LED

Các ưu điểm của diode phát quang bao gồm những điều sau đây.

• Chi phí của đèn LED thấp hơn và chúng rất nhỏ.
• Bằng cách sử dụng điện của đèn LED được kiểm soát.
• Cường độ của đèn LED khác nhau với sự trợ giúp của bộ vi điều khiển.
• Tuổi thọ lâu dài
• Tiết kiệm năng lượng
• Không có thời gian khởi động
• Gồ ghề
• Không ảnh hưởng bởi nhiệt độ lạnh
• Định hướng
• Hiển thị màu sắc là tuyệt vời
• Thân thiện với môi trường
• Có thể điều khiển

Các nhược điểm của diode phát quang bao gồm những điều sau đây.

• Giá bán
• Nhạy cảm với nhiệt độ
• Phụ thuộc nhiệt độ
• Chất lượng ánh sáng
• Phân cực điện
• Độ nhạy điện áp
• Hiệu quả giảm xuống
• Tác động đến côn trùng

Các ứng dụng của Diode phát quang

Có rất nhiều ứng dụng của đèn LED và một số trong số chúng được giải thích dưới đây.

• LED được sử dụng làm bóng đèn trong gia đình và các ngành công nghiệp
• Điốt phát quang được sử dụng trên xe máy và ô tô
• Chúng được sử dụng trong điện thoại di động để hiển thị thông báo
• Tại đèn tín hiệu giao thông, đèn led được sử dụng

Vì vậy, bài viết này thảo luận về tổng quan về diode phát quang nguyên lý làm việc của mạch và ứng dụng. Tôi hy vọng bằng cách đọc bài viết này, bạn đã có được một số thông tin cơ bản và hoạt động của diode phát quang. Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc nào về bài viết này hoặc về dự án điện năm cuối, vui lòng bình luận ở phần bên dưới. Dưới đây là một câu hỏi cho bạn, LED là gì và nó hoạt động như thế nào?