|
Blue lighting technology với LEDs và LDs – phần I Trần Trí Năng (Univ. of Minnesota & Ecosolar International) Trong số tháng trước [1] , chúng tôi đã giới thiệu với độc giả GS Shuji Nakamura của University of Santa Barbara (UCSB), người đã đưa ra thị trường sản phẩm đi -ốt phát quang màu xanh (blue light emitting diodes hay LED’s) và laze đi- ốt màu xanh (blue laser diodes hay LDs). Đây là một thành công lớn với nhiều ứng dụng trong nhiều lãnh vực khác nhau chẳng hạn như blu-ray disc , HD-DVD, LED TV , LED displays , outdoors lighting , traffic signals, laser printers, laser displays và nhiều sản phẩm khác nữa. Chúng tôi cũng đã giới thiệu sơ qua cấu tạo và sự khác nhau giữa hai linh kiện bán dẫn này : Về cấu tạo, cả hai LEDs và LDs đều có cấu trúc na-nô (nanostructures), được chế tạo dựa trên multi quantum wells (MQW) với hàng chục lớp màng cực mỏng khoảng vài nanometers. Về nguyên ly hoạt động, cả hai LEDs và LDs trong cấu tạo cơ bản đều gồm có hai lớp vật liệu với những tạp chất (impurities) khác nhau , i.e, n-type và p-type để cho hạt electrons và holes. Bằng cách đặt dòng điện ở hai đầu điện cực, dòng điện ép hạt electrons và holes chạy về vùng tiếp hợp (junction) giữa hai lớp bán dẫn . Sự khác nhau giữa LEDs và LDs là ở trường hợp của LDs, tia sáng được khuếch đại ở trong buồng cộng hưởng của LDs . Ở phần cuối của buồng cộng hưởng , có thiết lập phần gương (mirrors) để phản chiếu phô ton di chuyển qua lại nhiều lần, khiến cho phôton va chạm với hạt electrons , bị kích thích và kết quả là thêm nhiều hạt phô -ton phóng ra và ánh sáng được khuếch đại . Trong bài viết tháng này và những tháng kế tiếp, chúng tôi sẽ triển khai rộng hơn thị trường , cấu trúc na-nô , khái niệm cơ bản về quang lượng tử, nguyên ly hoạt động của LEDs và LDs và MOCVD- kỹ thuật chế tạo màng mỏng dùng trong LEDs và LDs. Chúng tôi sẽ dành một hay hai bài viết riêng về MOCVD (metalo-organic chemical vapor deposition) , một công nghệ hàng đầu mà nhiều nước trên thế giới , đặc biệt là Á Châu , đã chọn như môt kỹ nghệ mũi nhọn trong việc phát triển công nghiệp ở các nước trong khu vực. Keywords : MOCVD, multi quantum well (MQW), super lattice , band gap, conduction band, valence band, Fermi level, spontaneous emission, stimulated emission, population inversion, optical confinement, interface, index of refraction. “ Almost a fifth of global electricity is used for lighting” 1. Thị trường của LED’s và LDs Theo cơ quan Strategy Unlimited, thị trường của LED’s trên thế giới vào khoảng 1.8 tỉ USD vào năm 2003 và lên đến 6 tỉ USD năm 2008 với mức tăng trưởng hàng năm khoảng 47% (hình 1). Trong số đó , thiết bị di động (mobile appliances) chiếm 40%, tín hiệu (signs) chiếm 23 %, xe hơi (automobiles) 14 %, và đèn chiếu sáng (illumination) 5% với thị trường khoảng $ 522 M vào 2007. Cũng theo Strategy Unlimited, thị trường của LED vào khoảng 11,3 tỉ USD vào năm 2010, tăng lên đến 12,5 tỉ USD vào năm 2011 với mức tăng trưởng hàng năm khoảng 9.8%. Mười hãng sau đây đã nắm giữ vai trò lãnh đạo về số lượng LEDs sản xuất : Nichia , Samsung LED, Osram Optoelectronics, LG Innotek, Seoul Semiconductor, Cree, Philips Lumileds, Sharp , TG và Everlight.
Hình 1: Thị trường của LEDs [2]
Theo dự đoán của DisplaySearch trong bảng báo cáo tựa đề “Lighting Up the Display World”, số lượng đèn LED backlights tăng 300 % từ 8 tỉ vào năm 2008 lên đến 34 tỉ vào năm 2012 (hình 2) . Đặc biệt LEDs được dùng cho hai ứng dụng chính : active outdoor displays dùng 11 tỉ LEDs (15%) và LED backlights chiếm khoảng 8 tỉ LEDs (11 %) . Thêm vào đó , thị trường LEDs đang trên đà chuyển mình sang Á Châu đặc biệt là ở các nước như Trung Quốc, Nhật, Nam Hàn, và Đài Loan. Vào năm 2010, 350.000 đèn đường dùng LEDs tại nhiều nơi tại Trung Quốc với chương trình “10.000 Lights” do Bộ Khoa Học và Công Nghệ đề xướng, chiếm 74 % thị trường thế giới trong lãnh vực ứng dụng này.
Hình 2: Dự đoán số lượng LEDs dùng cho những ứng dụng khác nhau từ năm 2007 đến năm 2012 (tài liệu từ DisplaySearch, June 2009)
Thêm vào đó, ngoài những những ứng dụng của blue LEDs và blue LDs trong bài viết tháng trước như LED TV , LED displays , outdoors lighting (dùng LEDs) và blu-ray disc , HD-DVD (dùng LDs) , chúng tôi cũng xin thêm vào đây một số ứng dụng khác của hai linh kiện bán dẫn quan trọng này.
So với đèn incandescence theo kiểu Thomas Edison, đèn compact fluorescent CFL tiết kiệm nhiều cho khách hàng và giảm thiểu được lượng carbon dioxide có thể gây ô nhiễm cho môi trường. Theo nghiên cứu thị trường , LEDs dần dần sẽ thay thế CFL dựa vào những lợi điểm sau : (i) tiết kiệm 50-70% năng lượng và con số này có thể lên đến 90 % tùy theo ứng dụng và nếu dùng thêm smart controls, (ii) xài lâu hơn (100.000 giờ so với 1.000-10.000 giờ của các loại bóng đèn khác) ; (iii) không bị ô nhiễm thủy ngân; (iv) đa dạng về màu sắc, nhỏ hơn về hình dạng ; (v) không sinh ra nhiều nhiệt ; (vi) triển vọng có hiệu suất phát sáng cao hơn (hình 3) ; và (vii) phúc lợi xã hội . Với sự điều chỉnh về màu sắc, cường độ và góc hướng ánh sáng, LEDs có thể điều hợp để thích ứng với hoàn cảnh đèn đang dùng . Hiện tại kỹ nghệ LEDs đối diện với những yếu điểm : (i) đèn LEDs vẫn còn đắt hơn CFL nhưng giống như những linh kiện bán dẫn khác trong quá khứ, giá thành sẽ rẻ hơn trong tương lai khoảng 15-20 % mỗi năm do high yield và lượng sản xuất lớn; (ii) phí tổn ban đầu cao (high up front cost). Theo tài liệu của Bộ Năng Lượng Mỹ (US Dept. of Energy), phí tổn ban đầu để sản xuất LEDs có cùng lượng ánh sáng tốn khoảng 12 lần đắt hơn phí tổn sản xuất đèn incandescence 60 W và ba lần nhiều hơn phí tổn sản xuất CFL; và (iii) yếu điểm chính của LEDs manh nha từ lợi điểm dùng lâu dài của loại đèn này; có thể dẫn đến lượng tiêu thụ ít hơn lượng mong muốn. Thêm vào đó, một điểm nữa cũng quan trọng không kém là chính phủ của nhiều nước, đặc biệt ở Á Châu đã có chính sách khuyến khích và tài trợ một phần tiền tiêu thụ đèn LEDs , thí dụ như : chính phủ Nhât dự định thực hiện tiêu chuẩn dùng LEDs 50% tổng số lượng đèn dùng trong việc thắp sáng; trong khi đó chính phủ Nam Hàn và Trung Quốc có mục tiêu dùng LEDs theo thứ tự 30 % và 20 % tổng số đèn thắp sáng vào năm 2015. Đèn LEDs màu trắng có thể thực hiện với ba phương pháp biểu hiện ở hình 4a: hoặc dùng LED’s với ba màu red , green and blue; hoặc ultraviolet GaN LEDs với phosphors ; hay blue GaN LEDs với green & red phosphors. Nhìn từ khía cạnh quang phổ, cả ba đều cho màu trắng (hình 4b). Trong ba phương pháp này, phương pháp thứ ba rẻ nhất và có một độ sáng 105 lumens (lm)/W trong phòng thí nghiệm vào năm 2005. Cũng xin ghi nhận ở đây là vào năm 2007, nhóm nghiên cứu của GS Nakamura ở University of California, Santa Barbara đã đạt được độ sáng 150 lm/W; con số này chẳng những cao hơn đèn fluorescent mà còn vượt cả đèn metal halide (hình 5, tài liệu từ UCSB và http://www.lempteck.co.uk/) .
Hình 3:
Tiến bộ của kỹ thuật đèn phát sáng trong 200 năm qua [3]
.
Hình 4a: Ba phương pháp tạo đèn LEDs màu trắng [4]
(a) (b) (c) Hình 4b: Quang phổ màu trắng đạt được từ ba
phương pháp khác nhau ở hình
Hình 5:
Tiến bộ của GaN LED và những đèn LEDs khác trong vòng 40
năm qua.
1-2 Những ứng dụng khác của LEDs Những ứng dụng khác của LEDs bao gồm đèn pha, đèn thắng trong xe hơi , đèn tín hiệu giao thông và bảng ghi điểm số như chúng ta có thể thấy ở hình 6.
Hình 6: Những ứng dụng khác của đèn LEDs: đèn tín hiệu giao thông, bảng ghi điểm số, đèn thắng trong xe hơi ; và đèn pha.
Hình 7 biểu hiện bảng so sánh giữa đèn LEDs và đèn incandescent và đã cho thấy mức tiết kiệm khả quan khi dùng đèn LEDs.
Hình 7: So sánh về tiền điện phải trả khi dùng
incandescent lamps vs. LEDs.
Về cấu tạo, đèn LED gồm có thấu kính epoxy màu (colored epoxy lens), màng kính (glass window) nơi ánh sáng từ LED chip xuyên qua, hộp kim loại, LED chip , metal header và lớp cách điện bằng kính (glass insulator) [hình 8] . LED chip được gắn trên phần trong của dây dẫn điện cực catốt bằng một chất xi-măng dẫn điện. Đầu điện cực catốt này thường được hình thành dưới dạng vật phản xạ hình đĩa nhỏ (a tiny dish-shaped reflector) theo phương cách cho nhiều ánh sáng phát ra ở phần trên của đèn . Một dây ghép nối (bonding wire) nhỏ dùng để kết nối đầu anốt với điện cực nằm ở phần trên của con chíp. Sau khi hoàn thành, bộ phận lắp ráp được bọc kín (encapsulated) với nhựa epoxy trong (transparent epoxy plastic) hoặc có màu nước (water clear) hay có màu thích hợp với đỉnh phát sáng của LEDs. Thường thì có khoảng 15.000 LEDs trên 2” (5 cm) wafer với kích cỡ của mỗi con chip là 0.35 mm x 0.35 mm. Đặc tính quang học của chất bán dẫn sẽ quyết định màu phát sáng của LEDs : chẳng hạn nhự AlGaAs, AlGaInP cho màu đỏ đến màu vàng/xanh lá cây (yellow/green); và InGaN cho màu xanh lá cây/xanh đậm (green/blue) . Hình 9 biểu hiện một cách rõ ràng hơn về sự liên quan của chất bán dẫn với màu sắc phát sáng của LEDs.
Hình 8: Cấu tạo cơ bàn của đèn LEDs.
Hình 9: Gallium hợp với các chất khác nhau cho
những màu khác nhau : red (với As), green (với
P) và blue (với N) .
Sản phẩm đèn LEDs trên thị trường với những hình thù khác nhau như được biểu hiện ở Hình 10.
Hình 10: Sản phẩm LEDs .
2- Cấu tạo và nguyên ly hoạt động của blue LEDs & LDs Phần này khởi đầu cho một số bài viết trong số tháng này và những tháng tới. Trước tiên chúng tôi xin trình bày ở đây định nghĩa cơ bản của vài thành phần cần thiết trong cấu trúc của LEDs và LDs . Multiple quantum well (MQW) và nguyên ly hoạt động của hai linh kiện điện tử này sẽ được trình bày ở những bài viết tiếp theo. 2-1 Vài định nghĩa cơ bản làm nền tảng cho việc cắt nghĩa nguyên ly hoạt động của LEDs và LDs
(a)
(b) Hình 11: Vị trí của băng dẫn (conduction band) Ec , băng hóa trị (valence band) EV , mức Fermi (Fermi level) EF , mức trung tính Ei trong ba trạng thái bán dẫn : intrinsic (không pha tạp chất), n-type (với tạp chất thuộc nhóm V) và p-type (với tạp chất thuộc nhóm III trong bảng tuần hoàn [6]
2-1-1 Băng dẫn (conduction band) Ec và băng hóa trị (valence band) Ev Băng dẫn là nơi có nhiều hạt electrons trong khi đó hầu hết holes nằm ở băng hóa trị (hình 11 a). Những vòng tròn nhỏ tô đậm chỉ định nồng độ đỉnh (peak concentration) của hạt electrons nằm gần cạnh biên (the band edges) của băng dẫn Ec. Tương tự như vậy, các vòng tròn trống chị định nồng độ đỉnh của holes gần cạnh biên của băng hóa trị Ev. 2-1-2 Mức trung tính (intrinsic level) Ei và mức Fermi (Fermi level) EF Mức trung tính (intrinsic level) Ei nằm giữa băng dẫn Ec và băng hóa trị Ev ; trong khi đó mức Fermi được dùng như mức tham khảo ( reference level ) để chỉ định xác xuất số lượng hạt electrons hiện hữu. Khi mức Fermi EF nằm ở trên mức trung tính Ei (đường chấm chấm trong hình), chúng ta có chất bán dẫn thuộc dạng n-type : ở trạng thái này, có nhiều hạt electrons (hay nói một cách khác : hạt electrons là hạt tải đa số/majority carriers) và ít holes (hạt tải thiểu số/ minority carriers). Trường họp ngược lại có thể áp dụng khi mức Fermi EF nằm dưới mức trung tính Ei . Tham khảo hình 11 (b). 2-1-3 Tiếp hợp p-n (p-n junction) Giờ chúng ta thử mang chất bán dẫn p-type (hình 12 a) tiếp hợp với chất bán dẫn n-type, mức năng lượng (energy levels) của hai bên sẽ điều hợp với nhau bằng cách mang mức Fermi EF đến ngang với nhau đưa đến trang thái thằng bằng (hình 12 b); kết quả là tạo nên sự khác nhau về năng lượng Vbi giữa vùng dẫn EC của p-type và n-type (hình 12 c). Ở tình trạng này như chỉ định trên biểu đồ băng (band diagram), hạt electrons từ phía n-type phải có năng lượng hoặc bằng hoặc lớn hơn Vbi đủ để chuyển sang phía p-type và để cho dòng điện bắt đầu chạy . Nếu không đủ năng lượng đòi hỏi thì hạt electrons không thể tham gia vào hoạt động dẫn điện và linh kiện bán dẫn sẽ không hoạt động. Cứ tưởng tượng băng hóa trị là chân núi và hạt electrons là những người leo núi (rock climbers) phải trèo lên vách núi (bức tường năng lượng Vbi ) để lên đến đỉnh núi (băng dẫn) để nhìn thế giới bên ngoài và “đường mây rộng tung tăng cỡi bộ” như ở hình 13 (a) và (b).
(c) Hình 12: Biểu đồ băng (band diagram) của tiếp hợp p-n.
Hình 13: Hình ảnh người đang
leo núi (a) và sau khi lên đến đỉnh núi (b)
Như thế nếu không đủ năng lương để vượt qua bức tường năng lượng Vbi , những hạt electrons sẽ phải quay ngược trở lại theo chiều mũi tên về phía bán dẫn n-type của hình 14 a. Trường hợp tương tự sẽ xảy ra cho holes theo chiều mũi tên đi về phía bán dẫn p-type . Để cho sự di động của hạt electrons từ phía n-type sang phía p-type được dễ dàng hơn, chúng ta có thể đặt một điện thế dương (positive voltage VA hay gọi nôm nà là forward bias) để lám giảm chiều cao của bức tường năng lương xuống còn Vbi – VA như được biểu hiện ở hình 14 b.
Hình 14 (a)
: Band diagram of p-n junction at VA =0
(thermal equilibrium) .
Ở hình 12 (a) khoảng cách giữa conduction band EC và valence band EV gọi là vùng cấm (energy gap) hay bandgap. Khoảng cách này càng nhỏ, thì năng lượng đòi hỏi càng ít cho hạt electrons nhày từ băng hóa trị EV lên đến băng dẫn EC . Trên quan điểm vật liệu, thì bandgap này tỉ lệ nghịch với chiều dài bước sóng λ (chiều dài này quyết định màu sắc phát quang) theo công thức dưới đây :
Eg :
bandgap; h= hằng số Plank (Plank’s constant),
Hình 14 b : Forward bias với điện thế dương VA đặt ở hai đầu điện cực của tiếp hợp p-n làm giảm bức tường năng lượng xuống còn Vbi – VA và vì thế sự di chuyển của hạt electrons và holes được dễ dàng hơn [4] .
Để có nhiều hạt electrons nợi băng dẫn (conduction band) và nhiều holes ở băng hóa trị (valence band), chúng ta có thể “heavily dope/ thêm rất nhiều tạp chất” để cho nhiều donors (cho hạt electrons) hay acceptors (nhận hạt electrons) hơn . Trong trường họp này , mức Fermi (Fermi level) EF nằm trong băng dẫn – gọi là EFC ; và khi mức Fermi EF nằm trong băng hóa trị – gọi là EFV ; và EFC và EFV đều hợp với nhau để có thể nằm ở cùng một mức năng lượng ngang nhau (hình 15a ).
(a)
(b) Hình 15: Biểu đồ băng (band diagram) của trường hợp tiếp hợp p+-n+ có rất nhiều chất pha tạp (heavily doped p+-n+ junction). (a) ở trạng thái thăng bằng nhiệt và (b) với điện thế đặt ở hai đầu điện cực của tiếp hợp p+-n+ để làm giảm bức tường năng lượng.
Khi hạt electrons chuyển từ mức năng lượng cao (high energy level) kết hợp với holes ở mức năng lượng thấp (low energy level), số năng lương dư sẽ được phóng thích ra dưới dạng nhiệt hay ánh sáng (hình 15b). 2-2 Phát xạ tự phát (spontaneous emission) , phát xạ kích thích (stimulated emission) và dân số nghịch chuyển (population inversion) 2-2-1 Mô hình tổng quát Hình 16 biểu hiện mô hình tổng quát của các qui trình (process) : phát xạ tự phát (spontaneous emission) , hấp thụ (absorption) và phát xạ kích thích (stimulated emission) . Phát xạ tự phát của ánh sáng gây ra do sự tái kết hợp phát xạ ( radiative recombination) của đi-ốt . Hiện tượng này thường được biết là điện phát quang (electroluminescence hay EL). Từ “electroluminescence” được dùng khi phát quang được tạo ra với tác động của điện trường. Trong trường hợp này, mặc dù sự tái kết hợp (recombination) có thể xảy ra trên toàn cấu trúc của đi-ốt vì “hạt tải/carriers” có khuynh hướng khuếch tán xa khỏi vùng tiếp họp, phần lớn ánh sáng phát ra từ vùng tiếp hợp của p-n đi- ốt. Số lượng tái kết hợp phát xạ và vùng phát xạ (the emission area) trong cấu trúc tùy thuộc vào chất bán dẫn và phương pháp chế tạo linh kiện bán dẫn.
Hình 16: Mô hình tổng quát biểu
hiện các hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission),
Phát xạ tự phát xảy ra khi hạt electrons từ băng dẫn EC tái kết hợp với holes ở băng hóa trị EV; trong khi đó, sư hấp thụ (absorption) là kết quả đạt được khi hạt electrons nhảy từ băng hóa trị lên đến băng dẫn , để lại holes nơi băng hóa trị EV. Còn phát xạ kích thích (stimulated emission) là do sự kích thích bởi một lượng năng lượng khác. 2-2-2 Phát xạ tự phát (spontaneous emission) Phát xạ tự phát diễn tả một quy trình nơi mà hạt electrons từ một trạng thái kích thích (excited state) rơi xuống trạng thái an định (ground sate). Năng lượng của phô-ton/ quang tử (photons) sinh ra bởi quá trình này được định nghĩa như là sự khác biệt năng lượng giữa trạng thái kích thích (the excited state) E2 và trạng thái an định (ground state) E1 (hình 17)
Và tốc độ tái kết họp (recombination rate) τ được tính như:
Ở đây, W= thời gian tái kết hợp (recombination time) Hình 17 cắt nghĩa chi tiết hơn về quá trình này tuần tự theo thứ tự ở ba giai đoạn : trước khi tái kết hợp, lúc tái kết hợp và sau khi . tái kết hợp xảy ra. Ở giai đoạn ba, pho-tôn phát ra.
Hình 17: Phát xạ tứ phát (spontaneous emission)
2-2-3 Stimulated emission Phát xạ kích thích ( stimulated emission) xảy ra khi chúng ta có nghịch chuyển về dân số hay nồng độ hạt tải (population inversion). Nói một cách khác, khi chúng ta đưa vào chất bán dẫn hạt tải thiểu số (minority carrier) nhiều đến nỗi ở vài vùng trong cấu trúc có nhiếu “excited carriers” (hạt electrons) hơn là “ground state carriers” (holes). Nói một cách khác, phát xạ tự phát là một qui trình nơi đó hạt electrons “relax” khi rơi “relax” từ trạng thái kích thích. Phát xạ kích thích ngược lại là một qui trính xảy ra khi pho-tôn tới (incident photons) kích thích sự hồi phục (relaxation) của hạt electrons từ trạng thái kích thích (excited state) E2 rơi xuống trạng thái an định (ground state) E1 . Kết quả cho ra hai phô-ton có cùng năng lượng (nên cùng bức sóng), cùng hướng (direction) và cùng pha (phase). Sự liên kết pha ( phase coherence) dẫn đến sự phân kỳ tối thiểu (minimal divergence) của tia quang học và đưa đến nguồn ánh sáng định hướng (directed light source) . Nguồn ánh sáng này có cùng trạng thái lượng tử và vì thế được gọi là coherent light (hình 18).
Hình 18: Phát xạ kích thích (stimulated emission)
. 2-2-4 Dân số nghich chuyển (population inversion) Ở chất bán dẫn, sự nghịch chuyển về dân số hay nồng độ hạt tải (population inversion) có thể đạt được bằng cách cho một số lượng lớn hạt tải (high carrier injection) vào vùng hoạt động mỏng ( thin active region ~ μm) thuộc heavily doped p+-n+ junction hay double heterostructure (chất bán dẫn có bandgap nhỏ nằm giữa hai chất bán dẫn có bandgap lớn) , đưa đến tình trạng kích thích tự phát hạt electrons và holes ở cũng một không gian. Kết quả đưa đến một số lượng lớn và bằng nhau của hạt electrons và holes ở băng dẫn và băng hóa trị (hình 19 a). Kết quả là những hạt electrons “chuyển tiếp xuống /downward transitions” từ băng dẫn . Những pho-tôn tạo ra thay phiên kích thích nhiều hạt electrons và kết quả là nhiều chuyển tiếp sẽ xảy ra, dẫn đến hiện tượng khuếch đại (amplification) và đưa đến coherent pho-tôn (hình 19 b)
(a)
(b) Hình 19: Population inversion . (a) high carrier injection ở vùng hoạt động ( ~ μm) gần vùng tiếp hợp của heavily doped p+-n+ hay double heterostructure. Và (b) khuếch đại do phát xạ kích thích (amplification by stimulated emission) gây ra bởi dân số nghịch chuyển (population inversion).
Điều kiện để phát xạ tự phát xảy ra trong trường hợp dân số nghịch chuyển này là:
2-2-5 Kết hợp phát xạ (radiative recombination) and hiệu xuất lượng tử nội tại (internal quantum efficiency)
Hạt electrons kết hợp với holes phát ra ánh sáng (radiative
recombination), pho-nôn hay nhiệt (kết hợp không phát xạ/non-radiative
recombination). Liên hệ giữa tuổi thọ kết hợp tổng
thể (total recombination lifetime)
Ở đây Hiệu ứng lượng tử nôi tại (internal quantum efficiency) của chất bán dẫn được định nghĩa như là tỷ số của hiệu xuất kết hợp phát xạ của electron-hole (radiative electron-hole recombination coefficient) đối với tổng số hiệu xuất kết hợp (phát xạ và không phát xạ) . Thông số này quan trọng vì nó quyết định hiệu xuất phát quang (efficiency of light generation ) của chất bán dẫn và được định nghĩa như sau:
Ở đây Thêm vào đó, thông lượng pho-tôn nôi tại (internal photon flux) Ф (photon/second) ở thể tích V tỉ lệ với tốc độ tiêm nhập electron –hole R (carrier-pair injection rate- electron-hole pairs/cm3 –s) :
Nồng độ hạt tải dư ở trạng thái tĩnh (steady-state excess carrier concentration)
Kết hợp các phương trình (6), (7) và (8), chúng ta sẽ có được:
Theo kết quả ở phương
trình (9), chúng ta phải tăng tốc độ tiêm nhập cặp electron –hole
2-2-6 Kiềm chế quang học (Optical Confinement) Để tăng xác xuất của phát xạ tự phát, pho-tôn có thể bị kiềm chế (confined) bên trong đi-ốt , nơi phòng cộng hưởng và điều chỉnh cơ cấu quang học thích hợp để pho-tôn có thể di động qua lại nhiều lần qua vùng hoạt động (active region) . Thay vì phát xạ trực tiếp qua kết hợp electron-hole, qui trình này có thể thực hiện bằng cách thiết đặt phần kính ở mỗi bên của vùng hoạt động (hay buồng cộng hưởng) nhằm kiềm chế phô-ton theo hướng ngang (transverse directions) (hình 20). Vùng hoạt động và màng kính phải có hệ số khúc xạ (indices of refraction ) khác nhau làm thế nào để cho sự phản xạ chỉ xảy ra ở mặt phân giới (interfaces). .
Hình 20
: Dùng phần gương ( mirrors) and optical gain (qua
phát xạ tự phát) ở buồng cộng hưởng để khuếch đại tia sáng.
Nếu không dùng màng kính (external mirrors) như trong trường hợp semiconductor lasers, cleaved laser facets cũng có thể đóng vai trò như màng kính phản xạ cục bộ để tăng optical gain (hình 21). Chất bán dẫn được dùng như gain medium và sự khác biệt lớn về hệ số khúc xạ giữa tinh thể bán dẫn và môi trường chung quanh giúp cleaved surfaces đóng vai trò như màng phản xạ (hay mirrors). Trong trường hợp này, optical gain đạt được với dòng điện cho chạy vào (injected current).
Hình 21: Optical amplifier của la-ze đi-ốt LDs thực hiện được với optical feedback [7]
Trong những bài tháng tới, chúng tôi sẽ viết về multiple quantum wells MQW, superlattice và nguyên lý hoạt động của LED’s và LDs dựa vào những khái niệm về bandgap, spontaneous emission, stimulated emission , population inversion đã được trình bày trong số này.
Tài liệu tham khảo [1] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Hienthuong-Nakamura.htm [2] B. Steele: “HB-LEDs the market drive towards solid- state lighting”, Strategies Unlimited, December 2003. [3] IEEE Circuits & Devices , vol. 20, no.3, May/ June 2004, pp 28-37. [4] S. Nakamura. Bài nói chuyện với high school students , California, 2007 [5] S. Nakamura, Science, 281, 956-961, 1998. [6] R.F. Pierret: Semiconductor device fundamentals, Addison Wesley Publishing Inc., 1996. [7] Michael A. Parker, Physics of Optoelectronics, CRC Taylor and Francis, 2000, pp.47-78
Xứ Vạn Hồ |
