Diode phát sáng là một diode đặc biệt. Giống như điốt thông thường, điốt phát sáng được cấu tạo từ các chip bán dẫn. Những vật liệu bán dẫn này được cấy sẵn hoặc pha tạp để tạo ra cấu trúc p và n.
Giống như các điốt khác, dòng điện trong điốt phát sáng có thể dễ dàng chạy từ cực p (cực dương) đến cực n (cực âm), nhưng không theo hướng ngược lại. Hai hạt tải điện khác nhau: lỗ trống và electron chảy từ các điện cực đến cấu trúc p và n dưới các điện áp điện cực khác nhau. Khi các lỗ trống và electron gặp nhau rồi kết hợp lại, các electron rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và giải phóng năng lượng dưới dạng photon (photon là thứ mà chúng ta thường gọi là ánh sáng).
Bước sóng (màu sắc) của ánh sáng mà nó phát ra được xác định bởi năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn tạo nên cấu trúc p và n.
Vì silicon và germanium là những vật liệu có vùng cấm gián tiếp nên ở nhiệt độ phòng, sự tái hợp của các electron và lỗ trống trong những vật liệu này là một quá trình chuyển tiếp không bức xạ. Những chuyển đổi như vậy không giải phóng photon mà chuyển năng lượng thành nhiệt năng. Do đó, điốt silicon và germanium không thể phát ra ánh sáng (chúng sẽ phát ra ánh sáng ở nhiệt độ riêng rất thấp, phải được phát hiện ở một góc đặc biệt và độ sáng của ánh sáng không rõ ràng).
Vật liệu dùng trong điốt phát sáng đều là vật liệu có khe cấm trực tiếp nên năng lượng được giải phóng dưới dạng photon. Những năng lượng vùng cấm này tương ứng với năng lượng ánh sáng ở các vùng gần hồng ngoại, khả kiến hoặc gần tử ngoại.
Mô hình này mô phỏng một đèn LED phát ra ánh sáng ở phần hồng ngoại của phổ điện từ.
Trong giai đoạn đầu phát triển, điốt phát sáng sử dụng gallium arsenide (GaAs) chỉ có thể phát ra ánh sáng hồng ngoại hoặc đỏ. Với sự tiến bộ của khoa học vật liệu, các điốt phát sáng mới được phát triển có thể phát ra sóng ánh sáng với tần số ngày càng cao. Ngày nay, người ta có thể chế tạo ra các điốt phát sáng với nhiều màu sắc khác nhau.
Điốt thường được chế tạo trên đế loại N, với một lớp chất bán dẫn loại P lắng đọng trên bề mặt của nó và được kết nối với nhau bằng các điện cực. Chất nền loại P ít phổ biến hơn nhưng cũng được sử dụng. Nhiều điốt phát sáng thương mại, đặc biệt là GaN/InGaN, cũng sử dụng chất nền sapphire.
Hầu hết các vật liệu dùng để chế tạo đèn LED đều có chỉ số khúc xạ rất cao. Điều này có nghĩa là hầu hết các sóng ánh sáng bị phản xạ trở lại vật liệu ở bề mặt tiếp xúc với không khí. Do đó, việc khai thác sóng ánh sáng là một chủ đề quan trọng đối với đèn LED và rất nhiều nghiên cứu và phát triển tập trung vào chủ đề này.
Sự khác biệt chính giữa đèn LED (điốt phát sáng) và điốt thông thường là vật liệu và cấu trúc của chúng, dẫn đến sự khác biệt đáng kể về hiệu quả chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng. Dưới đây là một số điểm chính giải thích tại sao đèn LED có thể phát ra ánh sáng còn điốt thông thường thì không thể:
Vật liệu khác nhau:Đèn LED sử dụng vật liệu bán dẫn III-V như gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP), gallium nitride (GaN), v.v. Những vật liệu này có vùng cấm trực tiếp, cho phép các electron trực tiếp nhảy và giải phóng các photon (ánh sáng). Điốt thông thường thường sử dụng silicon hoặc germanium, có dải cấm gián tiếp và bước nhảy điện tử chủ yếu xảy ra dưới dạng giải phóng năng lượng nhiệt chứ không phải dưới dạng ánh sáng.
Cấu trúc khác nhau:Cấu trúc của đèn LED được thiết kế để tối ưu hóa việc tạo và phát xạ ánh sáng. Đèn LED thường thêm các chất dẫn xuất và cấu trúc lớp cụ thể tại điểm nối pn để thúc đẩy quá trình tạo và giải phóng các photon. Điốt thông thường được thiết kế để tối ưu hóa chức năng chỉnh lưu dòng điện và không tập trung vào việc tạo ra ánh sáng.
Khoảng cách năng lượng:Vật liệu của đèn LED có năng lượng vùng cấm lớn, nghĩa là năng lượng do các electron giải phóng trong quá trình chuyển đổi đủ cao để xuất hiện dưới dạng ánh sáng. Năng lượng vùng cấm vật chất của điốt thông thường là nhỏ và các electron chủ yếu được giải phóng dưới dạng nhiệt khi chúng chuyển tiếp.
Cơ chế phát quang:Khi tiếp giáp pn của đèn LED phân cực thuận, các electron di chuyển từ vùng n sang vùng p, kết hợp lại với các lỗ trống và giải phóng năng lượng dưới dạng photon để tạo ra ánh sáng. Trong các điốt thông thường, sự tái hợp của electron và lỗ trống chủ yếu ở dạng tái hợp không bức xạ, nghĩa là năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt.
Những khác biệt này cho phép đèn LED phát ra ánh sáng khi hoạt động, trong khi điốt thông thường thì không thể.
Bài viết này được lấy từ Internet và bản quyền thuộc về tác giả gốc
Thời gian đăng: 01-08-2024