Đèn LED là gì? Cấu tạo, nguyên lý phát sáng của đèn LED

Đèn LED là gì? Cấu tạo, nguyên lý phát sáng của đèn LED

Đèn LED là gì?

LED là từ viết tắt của Light Emitting Diode hay điốt phát quang là một linh kiện điện tử dựa trên chuyển tiếp p-n. LED có cấu trúc cơ bản của một điốt. Cấu trúc cơ bản của LED gồm hai lớp bán dẫn p, n ghép với nhau qua lớp tiếp xúc công nghệ. Hoạt động của LED dựa trên hoạt động của chuyển tiếp p-n.

Cấu tạo của đèn LED chiếu sáng

Lăng kính – Ánh sáng đèn LED là ánh sáng hướng. Góc phân bố ánh sáng tiêu chuẩn của đèn LED là 180 độ và ánh sáng phát ra vào khoảng nửa trên của bóng đèn. Đối với một số đèn LED, góc phân bố có thể điều chỉnh được, có chùm hẹp, rộng khách nhau. Góc chiếu sáng có thể được thay đổi bằng lăng kính. Lăng kính Polycarbonate được ưu tiên sử dụng vì chúng ít cản ánh sáng và tương đối dễ sản xuất. Chất lượng bề mặt và hình dáng của lăng kính rất quan trọng để đảm bảo sự lan truyền của ánh sáng và để hạn chế tổn thất trong sản lượng ánh sáng.

Chip LED – Đây là bộ phận phát ra ánh sáng cho đèn.

Lớp bề mặt (Substrate material) – Thường là một lõi kim loại PCB được sử dụng để gắn đèn LED. Bên cạnh việc cung cấp bề mặt để gắn chip LED, lõi kim loại còn dùng giúp chuyển nó vào bộ tản nhiệt với bề mặt tiếp xúc rộng hơn.

Lớp tiếp xúc (Interface materials) – Thông thường là keo hoặc dầu mỡ. Phần này được sử dụng để tối đa tiếp xúc khi gắn lớp bề mặt vào bộ phần tản nhiệt giúp tối đa hóa việc truyền tải nhiệt.

Bộ tản nhiệt – Bộ phận tản nhiệt có 2 loại. Tản nhiệt chủ động, thường là quạt dùng để lưu thông không khí. Tản nhiệt bị động sử dụng vây kim loại để làm tiêu tán nhiệt. Tản nhiệt chủ động thường giải nhiệt tốt hơn, nhưng trong hầu hết các ứng dụng, tản nhiệt bị đồng là đủ để giúp cho bộ đèn có nhiệt độ hoạt động tốt nhất.

Nguyên lý phát sáng của đèn LED

Khi một hiệu điện thế thích hợp được đặt vào các vật dẫn, các electron tái kết hợp với các lỗ trống và giải phóng năng lượng dưới dạng photon. Hiệu ứng này được gọi là điện phát quang. Màu sắc của ánh sáng LED được xác định bởi vùng cấm năng lượng của chất bán dẫn.

Hiện tượng phát quang: Các điện tử ở lân cận cực tiểu vùng dẫn sau một thời gian tồn tại ở đây có thể chuyển mức xuống trạng thái trống trong vùng hóa trị, tái hợp với lỗ trống và phát ra một photon.

Đối với một chất bán dẫn, đây là quá trình tái hợp bức xạ tự phát, không phụ thuộc vào mật độ phổ năng lượng của bức xạ điện từ bên ngoài.

Xét chuyển tiếp p-n ở trạng thái không phân cực tại cả vùng nghèo và vùng trung hòa. Do hệ đã thiết lập trạng thái cân bằng,do đó số điện tử tái hợp bằng số điện tử phát xạ. Mật độ dòng photon phát ra rất nhỏ, phần lớn bị hấp thụ do đó không có hiện tượng phát quang.

Xét chuyển tiếp p-n ở trạng thái phân cực thuận. Tại vùng nghèo do hiện tượng khuếch tán và phun hạt dẫn. Nồng độ hạt dẫn dư ( điện tử và lỗ trống) tại vùng nghèo tăng đột ngột,để thiết lập lại cân bằng các điện tử và lỗ trống tái hợp theo cơ chế tái hợp tự phát và phát ra các photon. Do tác dụng của điện áp thuận đặt vào lớp chuyển tiếp,vùng nghèo luôn luôn ở trạng thái thừa hạt dẫn, do đó mật độ dòng photon phát ra từ vùng nghèo luôn được duy trì tạo thành chùm sáng thoát ra khỏi lớp chuyển tiếp.

Trong trường hợp chuyển tiếp p-n ở trạng thái phân cực ngược. Dòng ngược là dòng của hạt dẫn thiểu số rất nhỏ dẫn tới mật độ dòng photon phát ra quá nhỏ, phần lớn bị hấp thụ trở lại do đó không có ánh sáng phát ra.

Như vậy, điện áp thuận đặt vào LED sẽ tạo ra hiện tượng phun hạt dẫn qua lớp chuyển tiếp, qua đó làm tăng đột ngột nồng độ hạt dẫn dư, sự tăng nồng độ hạt dẫn dư làm xuất hiện sự tái hợp bức xạ để trở về trạng thái cân bằng. Đó chính là cơ chế hoạt động của LED.

Ưu điểm của đèn LED

Tiết kiệm năng lượng:

LED được chứng minh rất tiết kiệm năng lượng gần như 80%. LED yêu cầu rất ít điện năng. Ví dụ, TV LED tiết kiệm năng lượng hơn TV CRT và LCD. Đèn LED không tạo ra nhiệt, vì vậy nó cũng giảm tải làm mát. Đèn LED không tạo ra tiếng ồn ào và nhấp nháy, v.v.

Thân thiện với môi trường:

Đèn LED không độc hại. Nó không chứa thủy ngân, chì hoặc cadmium. Việc tăng cường sử dụng đèn LED có thể làm giảm lượng khí thải carbon.

Tuổi thọ bóng dài:

Với việc lắp đặt đúng cách, đèn LED có thể hoạt động trong thời gian dài với chi phí bảo trì rất thấp.

Bảo trì và An toàn:

LED cần chi phí bảo trì rất thấp. Nó cũng yêu cầu phí tái chế rất thấp.

Có thể tái chế:

Đèn LED có thể tái chế với chi phí tái chế rất thấp.

Chất lượng hình ảnh tốt hơn:

• LED cho chất lượng hình ảnh tốt hơn LCD.
• Đèn LED đã cho phép phát triển văn bản, màn hình video và cảm biến mới. Do tốc độ chuyển mạch cao, nó cũng có thể hữu ích trong công nghệ truyền thông tiên tiến.

Nguồn: Đèn LED là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của đèn LED