|
Blue lighting technology với LEDs và LDs – phần III Cơ cấu hoạt động Trần Trí Năng (Univ. of Minnesota & Ecosolar International) Trong những số trước [1,2], chúng tôi đă giới thiệu với độc giả GS Shuji Nakamura của University of Santa Barbara (UCSB), người đă 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 lănh vực khác nhau chẳng hạn như blu-ray optical storage như blu-ray disc, HD-DVD, LED TV, LED displays , outdoors lighting medicine, traffic signals, laser printers, laser displays và lọc nước. Chúng tôi cũng đă giới thiệu sơ qua sự khác nhau về cấu tạo giữa hai linh kiện bán dẫn này : Về cấu tạo, cả hai LEDs và LDs đều được chế tạo dựa trên multi quantum wells (MQW) với nhiều lớp màng cực mỏng thuộc dạng nanotechnology [3]. Thực ra theo nguyên ly th́ cả hai LED’s và LD’s trong cấu tạo cơ bản đều gồm có hai lớp vật liệu chính với những tạp chất (impurities) khác nhau , i.e, n-type và p-type để cho nhiều hạt electrons và holes. Bằng cách đặt ḍng điện ở hai đầu điện cực, ḍng điện ép hạt electrons và holes chạy về vùng tiếp hợp (junction) nằm giữa hai lớp bán dẫn. Sự khác nhau giữa LED’s và LD’s là ở trường hợp của LD’s, tia sáng được khuếch đại ở trong buồng cộng hưởng của LD’s. Ở phần cuối của buồng cộng hưởng , có thiết lập phần gương để phản chiếu phôton di chuyển qua lại nhiều lần, khiến cho phôton va chạm với hạt electrons, bị kích thích và kết quả là thêm nhiều hạt phôton phóng ra và cường độ ánh sáng được khuếch đại. Trong bài viết tháng này, chúng tôi sẽ triển khai rộng hơn nguyên lư hoạt động của LEDs và LDs. Từ khóa : multi quantum well (MQW), band gap, conduction band, valence band, Fermi level, spontaneous emission, stimulated emission, population inversion, optical confinemen, quantum efficiency. 1. Thay lời tựa Những năm đầu thời sinh viên ở Nhật, tôi rất thích bài hát “Blue Light Yokohama” do nữ ca sĩ Ishida Ayumi và bài “Yokohama tasogare/ hoàng hôn Yokohama” do nam ca sĩ Itsuki Hiroshi hát khoảng đầu thập niên 70’s. Một phần có lẽ hai bài này có những nét “trữ t́nh” và thơ mộng về một thành phố cảng với bóng đèn màu xanh blue; một phần cũng có lẽ bài này cho tôi sống lại những chuỗi ngày “c̣n mài đũng quần” trên ghế học tṛ ở thành phố cảng Qui Nhơn với ánh đèn Néon đủ màu rực sáng về đêm. Tôi có đến Yohohama vài lần ; đi qua khu Motomachi và khu Chukagai (China town). Yokohama tuyệt đẹp với ánh sáng màu “ Machi no akari ga tottemo kireine Yokohama”. Tôi đi một ḿnh dọc theo cảng khi chiều xuống, ngang qua các tiệm quán, nh́n khói thuốc (tabako no kemuri ) loăng tan theo bóng đêm trong khi nghe tiếng đờn guitar réo rắt điệu t́nh (atenai koiuta nagashi no gitaa). Tôi đi thật chậm, mơ màng theo ḍng suy tư. Tôi cứ lê chân đi, tiếp tục bước đi như con thuyền nhỏ trôi theo ḍng (aruite mo, aruite mo kobune no yooni). Đi để t́m về kỷ niệm, để thấy thấm thía sự mất mác của một chuyến ra đi : Người ấy đă đi mất rồi (anohito wa itte shimatta), như một cánh chim hải âu bay về phía đèn hải đăng (Uminari toodai ichiwa no kamome). Rồi bay xa… xa măi… Có một lần tôi về thăm lại Yokohama, gặp phải cơn mưa vào lúc ngày sắp tàn. Nh́n những giọt mưa tung tăng trong vũng nước phản chiếu ánh đèn néon như những ngọn đèn bé nhỏ màu xanh đang tung tăng trong điệu múa :
“…Mưa ră rich
bước chân dài trong phố, TBA Rồi thời gian cứ trôi qua; “hành tŕnh ngược xuôi đi học, đi làm kiếm sống” đă khiến tôi rời Tokyo, Chiba và đưa tôi về những thành phố xa, rất xa. Lâu lắm rồi tôi chưa có cơ hội về thăm lại Yokohama, thành phố cảng thân thương ngày nào. Yokohama giờ chắc khác nhiều; những bóng đèn xanh “blue light” trong bài hát của Ishida Ayumi ngày nào chắc đă thay thế bằng đèn nhỏ LEDs; khu phố, con đường ngày xưa giờ chắc tấp nập hơn... Nhưng dù đèn Neon hay đèn LED’s, đối với tôi màu xanh lúc nào cũng dễ chịu, nhẹ nhàng và quyến rũ…(nhờ ḍng sông màu nắng hết xanh xao; nhờ màu trời màu xanh thành hy vọng ; cám ơn đời tôi sống trọn bao năm – TBA). 2. Muôn sắc màu rực rỡ
“…Đỏ, vàng, xanh lộng lẫy TBA LEDs và LDs cho những màu sắc khác nhau. H́nh 1 biểu hiện màu xanh blue của LDs và màu ultraviolet của LEDs do GS Nakamura và nhóm ông chế tạo lúc ông c̣n làm ở Nichia.
H́nh 1 : On the left:. Blue light emission from a GaN-based electrical carrier injection laser diode. [Photo: Nichia Chemical Industries, ref. 4]; on the right: LED’s with UV light [5] H́nh 2 tóm lược danh sách những chất bán dẫn dùng trong LEDs với chiều dài bức sóng khác nhau và v́ thế cho những màu sắc khác nhau từ đỏ, sang vàng đến xanh blue [6]. Chẳng hạn LED cho màu ultraviolet ở h́nh 1 được chế tạo từ GaInN có chiều dài bức sóng 370 nm; trong khi đó LED với màu xanh blue dùng GaInN với chiều dài bức sóng 450 nm.
H́nh 2: Những chất bán dẫn dùng trong LEDs cho những sắc màu khác nhau [6]
3. Cấu tạo và nguyên ly hoạt động của blue LEDs & LDs 3-1 Vài nét về LDs Trong những số trước, chúng tôi tŕnh bày khái niệm và lịch sử khai phát LEDs. Trong số này, chúng tôi sẽ thảo luận vài nét đặc thù của LDs trước khi thảo luận về cơ cấu vận hành của hai linh kiện bán dẫn light emitting diodes (LEDs) và laser diodes/hay laze (LDs). Laser viết tắc từ Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation. Vận hành của linh kiện bán dẫn này dựa trên sự tổng hơp của ba cơ cấu : phát xạ kích thích (stimulated emission), tập hợp nghịch chuyển (population inversion) và phản hồi dương trong buồng cộng hưởng (positive feedback in the cavity). LEDs và LDs cả hai đều có cấu trúc với multi quantum wells (MQW), như đă tŕnh bày ở số tháng ba [3]. QW dùng để kiềm chế hạt electrons và holes theo hướng thẳng góc với bề mặt của màng mỏng. The quantum well (hay double-heterostructure như thường được biết) đầu tiên được đề xuất hầu như cùng một lúc vào năm 1963 bởi Herber Kroemer [7] ở Mỹ và các Zh. I. Alferov and R.F. Kazarinov ở Nga [8]. Hai ông Alferov và Kroemer chia giải thưởng Nobel về vật ly năm 2000 về sự khám phá này. Charles Henry & D. Dingle của Bell Laboratories lần đầu tiên thành công trong việc chế tạo quantum well laser có thể hoạt động vào năm 1974 [9]. Hai ông nhận được bằng sáng chế tựa đề “Quantum Effects in Heterostructure Lasers” sau đó vào ngày 21, tháng 9, 1976 với phần tóm lược như sau :” A quantum well laser is a laser diode in which the active region of the device is so narrow that quantum confinement occurs. The wavelength of the light emitted by a quantum well laser is determined by the width of the active region rather than just the bandgap of the material from which it is constructed. This means that much shorter wavelengths can be obtained from quantum well lasers than from conventional laser diodes using a particular semiconductor material. The efficiency of a quantum well laser is also greater than a conventional laser diode due to the stepwise form of its density of states function…”. Khái niệm về discrete energy levels được biểu hiện ở H́nh 3.
H́nh 3: Khái niệm về discrete energy levels ở quantum well laser [6]. MQW laser hữu hiệu hơn LEDs và những semiconductor lasers khác về công suất đầu ra (output power). Chẳng hạn như, với LEDs, ḍng điện 150 mA cho ra công suất 1 mW power; trong khi đó với LD thông thường, 10 mA cho ra 1 mW và với QW lasers 10 mA cho ra công suất đầu ra từ 3 mW- 100 mW.
3-2 Ôn lại vài định nghĩa cơ bản làm nền tảng cho việc cắt nghĩa nguyên ly hoạt động của LEDs và LDs 3-2-1 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 (h́nh 4 a). Những ṿng tṛn nhỏ tô đậm chỉ định nồng độ đỉnh của hạt electrons nằm gần cạnh biên của băng dẫn Ec. Tương tự như vậy, các ṿng tṛn trống chị định nồng độ đỉnh của holes gần cạnh biên của băng hóa trị Ev.
(a)
(b) H́nh 4: (a) Sơ đồ về sự phân phối của hạt electrons và holes ở băng dẫn Ec và băng hóa trị Ev ; (b) 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) [10] 3-2-2 Mức trung tính (intrinsic level) Ei và mức Fermi (Fermi level) EF Mức trung tính Ei nằm giữa băng dẫn Ec và băng hóa trị Ev ; trong khi đó mức Fermi được dùng như mức tham khảo 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 h́nh), 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 h́nh 4 (b). 3-2-3 Tiếp hợp p-n (p-n junction) Giờ chúng ta thử mang chất bán dẫn p-type (h́nh 5 a) tiếp hợp với chất bán dẫn n-type, mức năng lượng của hai bên sẽ điều hợp với nhau bằng cách mang mức Fermi EF đến ngang với nhau đưa đến trang thái thằng bằng (h́nh 5 b); kết quả là tạo nên sự khác nhau về năng lượng Vbi giữa băng dẫn EC của p-type và n-type (h́nh 5 c). Ở t́nh 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 ḍng điện bắt đầu chạy. Nếu không đủ năng lượng đ̣i hỏi th́ hạt electrons không thể tham gia vào hoạt động dẫn điện và linh kiện bán dẫn sẽ không hoạt động.
(c) H́nh 5: Biểu đồ băng (band diagram) của tiếp hợp p-n. [10] 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 h́nh 6a. 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 làm giảm chiều cao của bức tường năng lương xuống c̣n Vbi – VA như được biểu hiện ở h́nh 6 b.
H́nh 6 (a) : Band diagram of p-n junction at VA =0 (thermal equilibrium). The total current is the sum of the individual electron omponents (electron diffusion component + electron drift component) and hole components (hole diffusion component + holedrift component). The n vs E curve in the inset indicates the distribution of carrier concentration n as a function of energy E [from A. Doolittle- Georgia Tech]
Ở h́nh 5 (a) khoảng cách giữa băng dẫn EC và băng hóa trị EV gọi là vùng cấm (energy gap) hay bandgap. Khoảng cách này càng nhỏ, th́ năng lượng đ̣i hỏi càng ít cho hạt electrons nhày từ băng hóa trị EV lên đến băng dẫn EC. Trên quan điểm vật liệu, th́ 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),
H́nh 6 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 c̣n Vbi – VA và v́ thế sự di chuyển của hạt electrons và holes được dễ dàng hơn [from A. Doolittle- Georgia Tech]. Để có nhiều hạt electrons nợi băng dẫn và nhiều holes ở băng hóa trị, 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 EF nằm trong băng dẫn – gọi là EFC ; và khi mức Fermi EF nằm trong băng hóa trị – gọi là EFV . Khi hạt electrons chuyển từ mức năng lượng cao kết hợp với holes ở mức năng lượng thấp, số năng lương dư sẽ được phóng thích ra dưới dạng nhiệt hay ánh sáng. 3-2-4 Phát xạ tự phát (spontaneous emission), phát xạ kích thích (stimulated emission) và tập hợp nghịch chuyển (population inversion) 3-2-4-1 Mô h́nh tổng quát H́nh 7 biểu hiện mô h́nh tổng quát của các qui tŕnh : phát xạ tự phát, hấp thụ (absorption) và phát xạ kích thích. 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 có thể xảy ra trên toàn cấu trúc của đi-ốt v́ “hạt tải/carriers” có khuynh hướng khuếch tán xa khỏi vùng tiếp hợp, 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 trong cấu trúc tùy thuộc vào chất bán dẫn và phương pháp chế tạo linh kiện bán dẫn.
H́nh 7: Mô h́nh tổng quát biểu hiện các hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission), hấp thụ (absorption) và phát xạ kích thích (stimulated 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. C̣n phát xạ kích thích là do sự kích thích bởi một lượng năng lượng khác. 3-2-4-2 Phát xạ tự phát (spontaneous emission) Phát xạ tự phát diễn tả một quy tŕnh 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 tŕnh 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 E1 (h́nh 8)
H́nh 8 cắt nghĩa chi tiết hơn về quá tŕnh 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 được phát ra.
H́nh 8: Phát xạ tứ phát (spontaneous emission)
3-2-4-3 Stimulated emission Phát xạ kích thích ( stimulated emission) xảy ra khi chúng ta có nghịch chuyển về tập hợp hay nồng độ hạt tải (population inversion). Nói một cách khác, khi chúng ta đưa vào chất bán dẫn hạt tải thiểu số 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 tŕnh nơi đó hạt electrons “relax” khi rơi 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 E2 rơi xuống trạng thái an định 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 v́ thế được gọi là coherent light (h́nh 9).
H́nh 9: Phát xạ kích thích (stimulated emission)
. 3-2-4-4 Tập hợp 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 t́nh trạng kích thích tự phát hạt electrons và holes ở cùng 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 Lúc đó, 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 pho-tôn có cùng pha. 3-3 Working mechanism of LEDs vs LDs LEDs và LDs sẽ được cắt nghĩa dựa vào những khái niệm căn bản chẳng hạn như band gap, phát xạ kích thích, phát xạ tự phát, MQW, tập hợp nghịch chuyển và kiềm chế quang học (optical confinement) mà chúng ta đă thảo luận trong số tháng hai [2]. Về cấu tạo cả hai đều thuộc dạng đi-ốt với heavily doped semiconductors ; ở đó sự tái kết hợp xảy ra trong vùng hoạt động khi ḍng điện bắt đầu chạy vào linh kiện bán dẫn. Forward bias dùng để giảm bức tường điện thế nằm ở vùng tiếp hợp p-n; và hạt electrons ở băng dẫn kết hợp với holes ở vùng băng hóa trị tạo năng lương đủ để phóng ra tia sáng. 3-3-1 LED’s LEDs được tạo thành với những chất bán dẫn hỗn hợp như gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP), gallium arsenide-phosphide (GaAsP), silicon carbide (SiC) and gallium indium nitride (GaInN). Việc chọn chất bán dẫn sẽ quyết định chiều dài bức sóng của đỉnh phát xạ (peak emission) của phôton và v́ thế sẽ ảnh hưởng đến màu sắc của ánh sáng phát ra. Tia sáng của LEDs đạt được do phát xạ tự phát, do sự tái kết hợp của hạt electrons và holes trong vùng hoạt động khi đi-ốt đặt ở forward bias. Lúc này tia sáng được phóng ra theo nhiều hướng. Chất bán dẫn dùng, thường thuộc nhóm III-V compounds, có direct band gap để bảo đảm hiệu xuất lượng tử cao (high quantum efficiency). LED phóng ra photon không liên kết pha (incoherent), không cùng hướng (non-directiona) và không phân cực (unpolarized). Những photon tự phát này sẽ không bị khuếch đại bới phát xạ kích thích.. Thêm vào đó LED không có ḍng điện giới hạn (threshold current). H́nh 10 biểu hiện cấu tạo tổng quát của LEDs : (a) phía p –type nằm trên bề mặt nới ánh sáng phát ra ; thường rất hẹp (khoảng vài microns) để phôton có thể thoát ra mà không bị hấp thụ trở lại; (b) phía n-type pha rất nhiều với tạp chất (heavily doped) để bảo đảm sự tái kết hợp sẽ xảy ra ở phía p-type; (c) phôton phóng ra về phía n-type hoặc bị hấp thụ hoặc bị phản chiếu ngược lại từ phía phân giới với vật nền, tùy thuộc vào chiều dày của vật nền và cấu tạo của LEDs. Biểu đồ băng và cơ cấu vận hành của LEDs được biểu hiện ở h́nh 11; cơ cấu vận hành thực ra giống như cơ cấu ở h́nh 6 (a) và (b).
H́nh 10. Schematic illustration of typical planar surface emitting LED devices.[6]
H́nh 11. Band diagram and working mechanism of LEDs [6] H́nh 12 biểu hiện 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. Để có nhiều hạt electrons nợi băng dẫn và nhiều holes ở băng hóa trị, chúng ta có thể “heavily dope” chất bán dẫn p-type và n-type 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 (h́nh 12 a ).
.H́nh 12 (a) Heavily doped p+-n+ junction in thermal equilibrium; (b) heavily doped p+-n+ junction under forward bias.[6] When the forward bias > Eg, với high injection carrier density, vùng hoạt động được h́nh thành gần vùng tiếp hợp p-n. Khi hạt electrons chuyển từ mức năng lượng cao kết hợp với holes ở mức năng lượng thấp, số năng lương dư sẽ được phóng thích ra dưới dạng nhiệt hay ánh sáng (h́nh 12b). Một thí dụ về biểu đồ băng với quantum well QW được biểu hiện ở h́nh 13 ; ở đây, chất bán dẫn trong cấu trúc của LED’s có direct bandgap. Hạt tải đa số tiêm nhập vào phía đối diện của LED trở thành hạt tải thiểu số và tái kết hợp, phát sinh ra phôton. QW dùng để bẫy (trapped) hạt electrons và holes và v́ thế tăng độ kết hợp (recombination. rate).
H́nh 13 : LED’s with MQW (from A. Doolittle- Georgia Tech)
Như có thể biểu hiện ở h́nh 14, công xuất quang học gia tăng với số QWs dùng trong LEDs, thường th́ con số này giới hạn trong ṿng 3-5.
H́nh 14: Light output của LEDs tăng lên với số QW dùng.
3-3-2 LDs Khác với LEDs, LDs dùng phát xạ kích thích để cho ra tia sáng cùng pha (coherent light) và cần một số lượng lớn phôton để tạo phát xạ kích thích. Khi năng lượng đặt trên chất bán dẫn lớn hơn bandgap, hai trường hợp có thể sẽ xảy ra: phôton bị hấp thụ trong chất bán dẫn, kích thích hạt electron; electrons sẽ di chuyển từ băng hóa trị đến băng dẫn; hoặc năng lượng này kích thích sự tái kết hợp phát xạ của hạt electrons và holes, hay gọi là phát xạ kích thích. Nếu phôton thứ hai này (second photon) có cùng tần số và định hướng như phôton thứ nhất, hai photons sẽ tạo tia sáng cùng pha (coherent light). Tập hợp nghịch chuyển xảy ra khi hạt tải thiểu số của p-n tiếp hợp vượt quá số hạt tải đa số. Điều này có thể xảy ra khi dùng kích thích quang (optical excitation) hay bằng cách dùng tiêm nhập điện (electrical injection) với mật độ ḍng điện cao . Với blue LD’s, ḍng điện thuận (forward current) tăng lên tới mức độ tới hạn (critical level) lúc mà tập hợp nghịch chuyển xảy ra.. Ở trong trường họp này, sẽ có nhiếu holes hơn là hạt electrons ở băng dẫn và nhiều hạt electrons hơn holes ở vùng băng hóa trị. Nói một cách khác một số lượng rất lớn hạt electrons và holes có khả năng kết hợp với nhau để phóng ra phôton. Và khi t́nh trạng này xảy ra, những hạt phôton mới tạo ra có thể bị khởi động (triggered) bởi những xung đột ngẫu nhiên (random collisions) của hạt electrons và holes, tùy thuộc vào ảnh hưởng của những hạt photons chạy ngang qua. Những photons này có khả năng kích thích thêm và gia tăng sự sản xuất ra nhiều photons hơn. Điều quan trọng thực hiện được ở đây là photons bị khởi động bởi những phôton có cùng chiều dài bức sóng và cùng pha với nhau. Nói một cách khác, những photon này đồng bộ hóa với nhau (synchronization) và tạo thành lớp sóng liên tục của phát xạ cùng pha (continuous wave coherent radiation). Phần gương được đặt ở hai đầu của đi-ốt để tạo ra pḥng cộng hưởng quang và để lượng phôton trong vùng hoạt động gia tăng cho đến khi lượng phát xạ từ phát xạ kích thích cao hơn lượng phát xạ từ phát xạ tự phát. Để cho ra ánh sáng, một trong hai phần gương phài hoặc là một nửa trong suốt hay có lỗ nhỏ trên đó. Với sự hiện diện của buồng cộng hưởng, phôton có thể di chuyển qua lại nhiều lần từ đầu bên này đến đầu bên kia của buồng, khởi động nhiều hơn nữa lượng photons đồng bộ với nhau. Kết quả là có nhiều coherent light được phát ra. Và v́ hai đầu của buồng cộng hưởng không hoàn toàn phản xạ (thường khoảng 90-95%), một số coherent light rời laser chip để tạo luồng áng sáng phát ra bên ngoài. Một điểm nữa cần đề cập là một lượng lớn hạt tải mang điện cần thiết ở vùng hoạt động có thể gây ra sự co lại trong lớp bán dẫn. Một cách để giải quyết vấn đề này là dùng heterostructure ở đó n-type và p-type chung quanh có bandgap lớn hơn và kết quả là hạt tải bị kiềm chế ở vùng giữa (như đă tŕnh bày trước). LDs có hai dạng: dạng nằm ngang (horizontal type) với ánh sáng phóng ra từ đầu được mài nhẵn của con chip, và dạng thẳng đứng (vertical type) . Cà hai dạng đều vận hành theo nguyên ly đă được cắt nghĩa trên ; sự khác nhau chính nhất nằm ở vùng hoạt động phát sinh ánh sáng và ở buồng cộng hưởng. Bởi v́ LDs vận hành với mật độ ḍng điện cao và có điện trở thuận rất thấp khi lasing, LDs dễ bị phá hủy do độ không ổn định nhiệt ( thermal runaway). Cường độ của tia sáng có thể tăng lên đến độ làm phần gương bị nóng chảy. Thế nên, chúng ta cần phải thận trọng khi vận hành LDs hơn là LEDs. Có nghĩa là ḍng điện phải điều chỉnh và optical feedback thường được dùng để bảo đảm độ an toàn cho phần phát quang ở đầu ra. 3-3-3 Hệ mạch điện 3-3-3-1 LEDs Về cấu tạo, đèn LED gồm có thấu kính epoxy màu (colored epoxy lens), màng kính nơi ánh sáng từ LED chip xuyên qua, hộp kim loại, LED chip, metal header và lớp cách điện bằng kính (glass insulator) [h́nh 15]. LED chip được gắn trên phần trong nơi có dây dẫn điện cực catốt bằng một chất xi-măng dẫn điện. Đầu điện cực catốt này thường được h́nh thành dưới dạng vật phản xạ h́nh đĩa nhỏ theo phương cách thích họp để cho nhiều ánh sáng phát ra ở phần trên của đèn. Một dây ghép nối nhỏ dùng để kết nối đầu anốt với điện cực nằm ở phần trên của con chip. Sau khi hoàn thành, bộ phận lắp ráp được bọc kín với nhựa epoxy trong hoặc có màu nước (water clear) hay có màu thích hợp với đỉnh phát sáng của LEDs. Thường th́ 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)
H́nh 15: Cấu tạo cơ bàn của đèn LEDs [11]
(a) (b)
H́nh 16 (a) Circuit for running
LED from a DC source; Khi LED vận hành ở DC mode, điện trở Rs được dùng để thiết lập ḍng diện thuận (forward current) của mạch điện vận hành ở một mức độ thích hợp nằm trong khoảng 5-20 mA (h́nh 16 a). Điện trở Rs được tính dựa theo công thức : Rs= (VS-VF)/IF VS = điện thế nguốn ; VF = điện thế thuận Mặc dù LEDs thường dùng ở forward conduction mode và không được đặt ở điện thế nghịch. Thường thường người ta giữ điện thế nghịch chỉ tiêu (reverse voltage rating) vào khoảng -5V pḥng ngờ trường hợp có sự kết nối nghịch (reverse connection) bất trắc xảy ra. Trường hợp LED vận hành với nguồn AC, để tránh sự kết nối với điện cực nghịch không xảy ra, mạch điện B có thể dùng (Fig.16b). Ở đây silicon đi-ốt kết nối theo hướng nghịch được kết nối trực tiếp ở hai đầu của LED để giới hạn điện thế nghịch vào khoảng 0.6 V (điện thế phân giới của silicon đi-ốt). Như thế LED sẽ được bảo vệ; nhưng sẽ gặp vấn đề là ánh sáng từ LED chỉ phát ra ở nửa chu kỳ (AC). Thế nên, lượng ánh sáng ra và hiệu xuất sẽ bị giảm một nửa. Phương pháp (Wheatstone Briege) biểu hiện ở H́nh 16 b có thể giải quyết vấn đề này và duy tŕ được lượng ánh sáng phát ra và hiệu xuất cao hơn. Người ta cũng dùng short pulse cycle- short duty cycle (on/off ratio) trong trường hợp ánh sáng đầu ra nhiều hơn. Trong trường hợp này, ánh sáng ở đầu ra có thể gia tăng nhiều với mạch xung (pulses), trong khi đó vẫn c̣n có thể duy tŕ mức điện trung b́nh và công xuất sinh ra nằm trong phạm vi đ̣i hỏi bởi chỉ tiêu.
3-3-3-2 LDs Package của LD được biểu hiện ở H́nh 17 với đi-ốt dùng để để kiểm soát công suất.
(a) (b) H́nh 17 [12] LDs vận hành ở mật độ ḍng điện cao và có điện trở thuận rất thấp khi phát quang lasing xảy ra, LDs v́ thế rất có thể bị hủy hoại v́ độ không ổn định nhiệt. Mật độ phát sáng có thể tăng lên đến mức mà lớp kính ở hai đầu có thể bắt đầu nóng chảy. Thế có nghĩa là chẳng những ḍng điện của LDs phải được điều chỉnh bằng một mạch điện nhất định hơn là chỉ bằng điện trở thôi; và đồng thời phản hồi quang tiếp ngược (optical negative feedback) thường cũng phải dùng luôn để bảo đảm việc duy tŕ đầu ra quang (optical output) ở một mức độ nhất định. Để dễ dàng hơn trong việc thực hiện phản hồi quang này, hầu hết các LDs có silicon PIN photodiode đặt ngay trong hệ thống điều chỉnh; dàn xếp thế nào mà photodiode này sẽ nhận một cách tự động một lượng quang tương đương với lượng quang từ đầu ra của LDs. Output này của photodiode sau đó được dùng để kiểm soát lương điện cung cấp qua LDs bởi một mạch điện nhất định để giữ sự vận hành an định và đáng tin cậy. H́nh 17 (b) biểu hiện một hệ thống điều chỉnh ḍng điện đơn giản dùng để vận hành LDs. Mạch điện dùng cho LDs gồm có diodes dùng để kiểm soát ḍng điện vận hành và ánh sáng phát ra. Đi -ốt dùng trong việc kiểm soát “shunt” the base forward bias ở tranzito Q1; và emitter voltage của tranzito này được giữ ở mức độ nhất định bởi Zener diode. Kết quả là với sự điếu chỉnh điện trở VR, ḍng diện của LD được giữ ở mức độ ổn định 3-3-3-3 So sánh hiệu suất và công suất giữa LEDs và LDs Cả hai LEDs và LDs có cấu trúc p+-n+ của direct bandgap semiconductor vận hành với forward bias. LED không có điện thế giới hạn (threshold voltage); phát quang khi ḍng điện tiêm nhập (injection current) chạy qua vùng tiếp hợp. Tia sáng của LEDs đạt được là do sự tái kết hợp phát xạ của electrons-holes trong vùng hoạt động của linh kiện đi-ốt này. LEDs cho ra phôton tự phát không cùng pha, không độ chỉ hướng và không phân cực (incoherent, không non-directional và unpolarized spontaneous photons). Những photons này sẽ không được khuếch đại bởi sự phát xạ kích thích như LDs. Trường hợp của LDs th́ khác : LD là một linh kiện bán dẫn khuếch đại quang (semiconductor optical amplifier). Sự phản hồi quang học ( optical feedback) của LDs được thực hiện bằng cách cleaving chất bán dẫn dọc theo trục kết tinh của tài liệu bán dẫn này. Sự khác nhau rơ rệt giữa tinh thể và môi trường chung quanh làm cho cleaved surfaces đóng vai tṛ như tấm gương phản xạ. Thêm vào đó, sự khác biệt rơ rệt của hai linh kiện bán dẫn LEDs và LDs nằm ở công suất đầu ra (output power) : công suất đỉnh (peak power) của LDs được đo bằng đơn vị watt (W) trong khi đó công suất của LEDs chỉ ở vào khoảng milliwatts (mW). Ngoài ra LEDs có 50% chu tŕnh hoạt động (duty cycle); có nghĩa là ON 50% và OFF 50% bất luận vận hành ở tầng số nào. Khi vận hành dưới threshold, LDs tạo phát xạ tư phát và tương tự như LEDs. LDs có tính năng tốt hơn v́ hiệu suất chiết xuất (extraction efficiencies) ήe khoảng trên 10% trong khi đó hiệu suất chiết xuất của LEDs ở vào khoảng vài %. Điều này manh nha từ sư kiện LDs vận hành trên căn bản phát xạ kích thích. Vă lại, LDs phóng ra nhiều nhiệt hơn, nên cần có bộ hấp thụ nhiệt để phân tán nhiệt. So với LEDs, LDs nhỏ hơn, cho nhiều ánh sáng, có tuổi thọ dài hơn và có thể mở/ đóng với tốc độ cao hơn. Một điều nữa là bởi v́ tia sáng LDs có cùng pha (coherent) và v́ thế ít tạp âm (noise) hơn; băng thông (bandwidth) cũng hẹp và rơ ràng hơn LEDs.
(a) (b) H́nh 18 : Liên hệ giữa laser region (coherent emission) và LED region (incoherent emission) : (a) light output vs current và (b) optical power vs. current. [12] Nếu dùng ḍng điện giới hạn (threshold current) là điểm tham khảo trong đồ thị output power hay light output. vs. current (h́nh 17), vùng dưới ḍng điện giới hạn ith là LED và vùng trên ith thuộc về LD. Ở đây, hiệu suất phát xạ, tỷ số điều biến (modulate rate) và hiệu xuất kết nối với cáp quang (optical fibers) cao hơn. Bảng 1 biểu hiện sự so sánh giữa LEDs và LDs. Độc giả có thể tham khảo thêm ở reference [13].
Bảng 1. So sánh cơ cấu và đặc tính của LEDs và LDs. Trong số tháng trước và tháng này, chúng tôi đă thảo luận những thông số căn bản về lượng tử và cơ cấu vận hành của LEDs và LDs. Trong số tới, chúng tôi sẽ tŕnh bày một hệ thống chế tạo màng mỏng dùng trong việc h́nh thành hai linh kiện điện tử quan trọng này : metal-organo chemical vapor deposition hay thường gọi nôm na là MOCVD.
Tài liệu tham khảo [1] http ://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Hienthuong-Nakamura.htm [2] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/LEDs-V2.htm [3] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/LEDS-PART-2.htm [4] S. Nakamura : Science, vol. 272, 21 June 1996, p. 1751 [5] S. Nakamura : JSAP International No.1, Jan. 2000, p.5 [6] S. Nakamura. Bài nói chuyện với high school students, California, 2007 [7] H. Kroemer, "A proposed class of heterojunction injection lasers," in Proc. IEEE, vol. 51, 1963, p. 1782. [8] Zh. I. Alferov and R.F. Kazarinov, Authors Certificate 28448 (U.S.S.R) 1963 [9] C. Henry & D. Dingle, US Patent No. 3,982,297. "the active layers are thin enough (e.g., about 1 to 50 nanometres) to separate the quantum levels of electrons confined therein. These lasers exhibit wavelength tunability by changing the thickness of the active layers. Also described is the possibility of threshold reductions resulting from modification of the density of electron states." [10] R.F. Pierret: Semiconductor device fundamentalsAddison Wesley Publishing Inc., 1996 [11] S. Nakamura et al. Apply. Phys. Lett. 67, 1868 (1995). [12] Electus Distribution reference data sheet 2001. [13] Physics of Optoelectronics, Michael A. Parker, CRC Taylor and Francis, pp.47-78
Lake Elmo 9 tháng 4, 2013 |
(1)
= tần số
ánh sáng (frequency of light) và λ= chiều dài bước sóng
(wavelength). 
(2)
