Cấu tạo và ứng dụng của đèn LED

LED là gì?

LED, viết tắt của Light-Emitting-Diode có nghĩa là “đi-ốt phát sáng”, là một nguồn sáng phát sáng khi có dòng điện tác động lên nó. Được biết tới từ những năm đầu của thế kỷ 20, công nghệ LED ngày càng phát triển, từ những diode phát sáng đầu tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc đến những nguồn phát sáng đa sắc, công suất lớn và cho hiệu quả chiếu sáng cao.
Hoạt động của LED dựa trên công nghệ bán dẫn. Trong khối điốt bán dẫn, electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và sự chênh lệch năng lượng này được phát xạ thành những dạng ánh sáng khác nhau. Màu sắc của LED phát ra phụ thuộc vào hợp chất bán dẫn và đặc trưng bởi bước sóng của ánh sáng được phát ra.
Điốt bán dẫn phát sáng đầu tiên được biết đến vào năm 1907 bởi nhà thí nghiệm người Anh H.J. Round tại phòng thí nghiệm Marconi khi ông làm thí nghiệm với tinh thể SiC(Silic và Cacbon). Sau đó, nhà khoa học Nga Oleg Vladimirovich Losev đã tạo ra LED đầu tiên, nghiên cứu sau đó đã bị quên lãng do không có ứng dụng nhiều trong thực tiễn. Năm 1955, Rubin Braunstein đã phát hiện ra sự phát xạ hồng ngoại bởi hợp chất GaAs(Gallium và Arsenide) và một số hợp chất bán dẫn khác.
Năm 1961, hai nhà thí nghiệm là Bob Biard và Gary Pittman làm việc tại Texas Instruments đã nhận thấy rằng hợp chất GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện tác động và sau đó Bob và Gary được cấp bằng sáng chế ra điốt phát hồng ngoại.

LED phát ánh sáng đỏ đầu tiên được phát triển vào năm 1962 bởi nhà nghiên cứu khoa học Nick Holonyak Jr. trong khi ông đang công tác tại công ty General Electric. Sau đó ông chuyển tới trường đại học Illinois và tại đây ông đã được gặp “cha đẻ của điốt phát xạ”, M. George Craford. George là người đã phát minh ra bóng LED có màu vàng đầu tiên có cường độ sáng gấp 10 lần ánh sáng của bóng LED màu đỏ và màu cam vào năm 1972. Năm 1976, T.P. Pearsall đã tạo ra LED hiệu suất cao có ứng dụng quan trọng cho lĩnh vực thông tin liên lạc bằng sợi quang.

Ứng dụng thực tiễn đầu tiên của điốt phát quang là chúng được sử dụng rộng rãi thay thế cho thiết bị chỉ thị bằng bóng sợi đốt. Điốt còn được ứng dụng trong việc chế tạo LED 7 thanh và sau này là ứng dụng trong tivi, radio, điện thoại, máy tính, đồng hồ…Ban đầu, các LED ánh sáng đỏ chỉ đủ sáng phục vụ cho mục đích chỉ thị, ánh sáng của chúng phát ra không đủ để chiếu sáng cả một vùng. Sau đó, khi mà công nghệ LED phát triển, các nguồn LED có hiệu suất phát sáng hiệu quả được phát minh dần dần phục vụ cho mục đích chiếu sáng. Nhất là việc phát minh và phát triển LED công suất cao, đã đáp ứng được hoàn toàn cho việc chiếu sáng.
Nguyên lý

Giống như những điốt thông thường, LED bao gồm hai lớp bán dẫn loại P và N ghép vào nhau. Khối bán dẫn loại p(anốt) chứa nhiều lỗ trống có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối bán dẫn loại n(catốt), cùng lúc khối bán dẫn loại p lại nhận các electron từ khối bán dẫn loại n chuyển sang. Kết quả là hình thành ở khối p điện tích âm và khối n điện tích dương.

Ở bề mặt tiếp giáp giữa hai khối bán dẫn, các electron bị các lỗ trống thu hút và có xu hướng tiến lại gần nhau, kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hoà. Quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng các photon ánh sáng.
Bước sóng của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào cấu trúc của các phân tử làm chất bán dẫn. Nếu bước sóng này nằm trong dải bước sóng từ vùng hồng ngoại đến vùng tử ngoại, mắt chúng ta có thể cảm nhận được màu sắc của ánh sáng đó.

Màu sắc và vật liệu

Thông thường LED được tạo ra từ những hợp chất bán dẫn vô cơ, những hợp chất bán dẫn này rất đa dạng, dưới đây là bảng chỉ rõ màu sắc của LED phụ thuộc vào khoảng bước sóng, điện áp rơi và chất bán dẫn tạo ra LED.

LED trắng
Có hai cách để tạo ra ánh sáng trắng bằng LED. Một là sử dụng những LED riêng biệt của ba màu cơ bản(đỏ, xanh lục, xanh lam), sau đó kết hợp ba màu lại với nhau để tạo ra ánh sáng trắng. Cách thứ hai là dùng bột huỳnh quang phủ lên bề mặt bóng LED của LED xanh lam hoặc UV LED, gần giống với cách phát sáng của đèn huỳnh quang.

Ưu điểm của LED
- Hiệu quả: LED có hiệu suất phát sáng cao hơn bóng sợi đốt.
- Màu sắc: LED có thể phát ra màu sắc như ý muốn mà không cần bộ lọc màu theo phương pháp truyền thống.
- Kích thước: Kích thước của bóng LED rất nhỏ(có thể nhỏ hơn 2 mm2) vì vậy có thể bố trí dễ dàng trên mạch in.
- Thời gian bật tắt nhanh: Led có thời gian bật và tắt rất nhanh kể từ lúc có tác động(micro giây). Điều này rất quan trọng trong thông tin liêc lạc, lĩnh vực yêu cầu có thời gian đáp ứng nhanh.
- Độ sáng tối: LED có thể dễ dàng điều khiển độ sáng tối bằng phương pháp điều chế độ rộng xung hoặc tăng giảm dòng điện tác động.
- Tuổi thọ đèn cao: Đây là ưu điểm lớn nhất của đèn LED, tuổi thọ của đèn LED vào khoảng 35000 đến 50000 giờ, lớn hơn nhiều lần so với bóng huỳnh quang và sợi đốt.
- Độ bền cao: LED được làm từ vật liệu bán dẫn, nên rất khó bị phá huỷ bởi sự va đập...
- An toàn: LED không gây độc hại, thân thiện với môi trường.

Ứng dụng của LEDLED có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn ngày nay nhưng tựu trung lại bao gồm ba lĩnh vực chính:
- LED làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị điện điện tử, đèn quang cáo, trang trí, đèn giao thông...
- LED còn ứng dụng trong lĩnh vực chiếu sáng vì những ưu điểm của nó hoàn toàn có thể thay thế những nguồn sáng thông thường khác.
- LED còn được ứng dụng trong lĩnh vực điện tử viễn thông như trong thiết bị điều khiển từ xa, cảm biến hồng ngoại, công nghệ truyền dữ liệu qua tia hồng ngoại(IrDA), LED UV khử trùng nước.