Tìm hiểu nguyên lý phát sáng của đèn LED & cấu trúc vật lý

27/05/2020 29/05/2020 Anh Tú 5 lượt Blog

Đèn LED là thiết bị chiếu sáng sở hữu rất nhiều điểm mạnh so với đèn truyền thống. Vậy nguyên lý phát sáng của đèn LED như thế nào để có những lợi thế vượt trội này? Hãy theo dõi ngay bài viết chi tiết về nguyên lý đèn LED hoạt động dưới đây để hiểu rõ hơn vấn đề này bạn nhé!

Nguyên lý phát sáng của đèn LED

Nguyên lý phát sáng của đèn LED dựa trên công nghệ bán dẫn. Vì bản chất của đèn LED là một đi ốt. Do đó, giống như một đi ốt thông thường, đèn LED hoạt động khi được phân cực thuận. Khi tiến hành ghép 2 khối bán dẫn P và N với nhau; các lỗ hổng mang điện tích dương trong khối bán dẫn P sẽ chuyển động sang khối bán dẫn N.

nguyên lý đèn led
Sơ đồ nguyên lý đèn LED

Ở nơi tiếp giáp giữa hai khối bán dẫn P và N có những electron bị các lỗ trống hút vào; tạo nên những nguyên tử trung hòa; và giải phóng ra các bức xạ ánh sáng có thể nhìn thấy được. Đây chính là nguyên lý phát sáng của đèn LED.

Sự phát xạ của các photon trong đèn LED được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng của chất rắn. Theo lý thuyết này, các lỗ trống điện từ có phát ra photon; hay không phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn có khe vùng trực tiếp (direct band gap); hay khe vùng gián tiếp (indirect band gap). Những vật liệu bán dẫn có khe vùng trực tiếp là những vật liệu phát ra photon.

Ở những vật liệu này, đáy của mức năng lượng của vùng dẫn (conduction band) sẽ nằm ngay trên mức năng lượng cao nhất của vùng hóa trị (valence band) trên sơ đồ Năng lượng với Xung lượng (vectơ sóng k).

Khi các electron và lỗ trống kết hợp, năng lượng E= hv tương ứng với khoảng cách năng lượng △ (eV) thoát ra dưới dạng năng lượng ánh sáng, hoặc photon. Trong đó, h là hằng số Planck, còn v là tần số bức xạ phát ra.

nguyên lý phát sáng của đèn led
Hình vẽ minh họa nguyên lý phát xạ của đèn LED

Còn các vật liệu bán dẫn có khe vùng gián tiếp sẽ không phát bức xạ; vì phần đáy của vùng dẫn không trùng với phần đỉnh của vùng hóa trị. Đồng thời năng lượng tương ứng với khoảng cách năng lượng chủ yếu được cung cấp dưới dạng nhiệt.

nguyen ly den led
Sơ đồ giải thích vì sao các vật liệu bán dẫn có khe vùng gián tiếp sẽ không phát bức xạ

Màu sắc ánh sáng đèn LED phụ thuộc vào chất liệu của chất bán dẫn. Ví dụ về vật liệu có khe vùng trực tiếp là Gallium Arsenide (GaAs); là một chất bán dẫn được sử dụng rất phổ biến trong đèn LED. Các nguyên tử Dopant được thêm vào GaAs để tạo ra một loạt các màu sắc LED khác nhau. Đây chính là nguyên lý đổi màu của đèn LED.

Một số vật liệu bán dẫn phổ biến được sử dụng cho đèn LED đổi màu có thể kể đến như:

  • Nhôm Gallium Aside (AlGaAs) – màu hồng.
  • Gallium Asen Phosphide (GaAsP) – đỏ, cam, vàng.
  • Nhôm Gallium Phosphide (AlGaP) – màu xanh lá cây.
  • Indium Gallium nitride (InGaN) – xanh lam, xanh lam, gần UV.
  • Kẽm Selenide (ZnSe) – màu xanh.

Cấu trúc vật lý của LED

LED được cấu trúc theo cách sao cho bức xạ ánh sáng phát ra không bị hấp thụ lại vào vật liệu. Vì vậy, đèn LED cần được thiết kế sao cho sự tái tổ hợp lỗ trống điện từ diễn ra trên bề mặt.

nguyen ly phat sang cua den led
Hình vẽ minh họa nguyên lý cấu tạo của đèn LED

Hình trên cho thấy có 2 cách cấu trúc khác nhau cho vùng tiếp xúc giữa hai khối bán dẫn P và N của đèn LED. Cách thứ nhất, khối bán dẫn P được làm mỏng; và đặt chồng lên khối bán dẫn N. Các điện cực kim loại được gắn ở hai bên của điểm nối P – N đóng vai trò là các nút cho kết nối điện bên ngoài. Vùng tiếp xúc P – N của đèn LED được đặt trong một hộp trong suốt hình vòm để ánh sáng được phát ra đồng đều theo mọi hướng và sự phản xạ có thể diễn ra.

nguyên lý hoạt động của đèn LED
Thiết kế của chipLED truyền thống với 2 chân Anode và Cathode

ChipLED truyền thống (DIP LED) có thiết kế hai chân nối là A-nốt(+) – là chì dài hơn và Ca-thốt(-) – là chì ngắn.

Một số loại đèn LED có số lượng chân nối nhiều hơn 2; như đèn LED 3 chân, 4 chân, thậm chí là 6 chân để có thể thay đổi màu sắc bằng việc điều khiển các chân của LED cũng có sử dụng cùng cách thức “đóng gói” giống DIP LED.

Đối với dòng chipLED SMD (Surface Mounted Device); LED sẽ được gắn trực tiếp vào bảng mạch PCB thay vì phải sử dụng đến hai chân nhỏ của mỗi đi ốt như đèn LED DIP truyền thống.

Ứng dụng của LED

Hiểu rõ được nguyên lý làm việc của bóng đèn LED, bạn sẽ phần nào biết được vì sao LED lại được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội. Dưới đây là một số ứng dụng nổi bật của LED trong thực tế.

Sản xuất màn hình

Bóng đèn LED được ứng dụng vào sản xuất các màn hình hiển thị chất lượng cao như màn hình OLED, màn hình MicroLED, màn hình chấm lượng tử Quantum Dot… Ưu điểm của các màn hình này là chất lượng màu sắc; hình ảnh vô cùng chân thực, sống động, tự nhiên, màu đen được thể hiện một cách hoàn hảo.

nguyen ly hoat dong den LED
Đèn LED được ứng dụng nhiều trong sản xuất màn hình tivi, điện thoại….

Bóng LED được sử dụng để thay thế cho đèn nền trong màn hình LCD; do đó, các loại màn hình hiển thị này hoàn toàn không bị hắt sáng. Đồng thời cũng có sự thay đổi về kích thước, trọng lượng. Màn hình mỏng hơn, nhẹ hơn, nhưng vẫn đảm bảo góc nhìn rộng, độ bền cao, có thể sử dụng được ở cả ngoài trời cũng như các khu vực có diện tích rộng.

Làm đèn báo hiệu, phát tín hiệu

Dựa trên các nguyên tắc đèn LED hoạt động, LED còn được ứng dụng trong giao thông; với các đèn tín hiệu giao thông, đèn biển báo. Với ưu điểm độ bền cao; khả năng bật sáng tức thì, hiệu suất phát quang lớn; ánh sáng trung thực, rõ ràng, sắc nét… công nghệ LED đáp ứng được đầy đủ mọi yêu cầu của hệ thống đèn báo hiệu, phát tín hiệu…

nguyên lý hoạt động của đèn LED
Đèn LED được ứng dụng trong lắp đặt các thiết bị đèn cảnh bảo, báo hiệu ….

Ứng dụng vào điều khiển từ xa

Đèn LED phát hồng ngoại được ứng dụng vào thiết bị điều khiển từ xa hồng ngoại như điều khiển DVD, TV, ampli, đầu K+, điều hòa , quạt điện tử… LED hồng ngoại cũng giống đi ốt phát quang thông thường. Tuy nhiên, bức  xạ ánh sáng của loại đèn LED này không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Cũng nhờ vào đặc điểm này mà đèn LED hồng ngoại được ứng dụng vào rất nhiều loại máy móc cần hoạt động ban đêm.

Sản xuất các thiết bị đèn LED chiếu sáng

Các sản phẩm đèn LED đang dần dần thay thế đèn chiếu sáng truyền thống. Lợi thế của đèn LED chính là tiêu thụ ít điện năng; tuổi thọ sử dụng vô cùng cao; hiệu suất phát quang lớn; nhiệt độ màu đa dạng; phù hợp với nhiều nhu cầu sử dụng. Dù chi phí đầu tư ban đầu hơi nhiều nhưng về lâu dài; bạn sẽ tiết kiệm được rất nhiều chi phí khi sử dụng đèn LED.

nguyen ly den LED
Nguyên lý hoạt động được ứng dụng trong sử dụng sản xuất các thiết bị đèn LED chiếu sáng

Linh kiện cách ly quang học

LED còn được ứng dụng vào Oppo – một loại linh kiện rất phổ biến trong bộ bo mạch nguồn xung; mạch PLC, bo điều khiển động cơ mosfet, igbt , transistor… Đèn LED sẽ được gắn vào bên trong Oppo và sử dụng nguyên tắc dùng ánh sáng để truyền tín hiệu.

Tổng kết

Việc nắm rõ được nguyên lý phát sáng của đèn LED giúp các bạn hiểu được cách thức đèn LED hoạt động; cùng với cấu tạo của đèn LED. Qua đó, biết được nguyên nhân vì sao đèn LED lại trở thành giải pháp chiếu sáng tối ưu; đang được thay thế dần cho các loại đèn truyền thống.

Để được tư vấn chi tiết hơn về các sản phẩm đèn LED đang được ưa chuộng nhất hiện nay cũng như lựa chọn sản phẩm phù hợp với thực tế công trình, bạn hãy liên hệ ngay với số Hotline của MinLED. Các nhân viên chuyên nghiệp của MinLED sẽ tiếp nhận cuộc gọi và tư vấn, hỗ trợ; báo giá cho bạn hoàn toàn MIỄN PHÍ.

Từ khóa:


Gọi ngay cho chuyên gia để được tư vấn MIỄN PHÍ!
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

0866.06.79.86
Nhắn tin qua Facebook Zalo: 0866.06.79.86 Gửi tư vấn
Báo giá GỌI ĐIỆN Chat Zalo