1

Mục lục

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt 4
Danh mục các bảng 8
Danh mục các hình vẽ và đồ thị 9
Mở đầu 12
Chương 1 Tổng quan về COB LED công suất cao và các ứng dụng trong công
nghệ chiếu sáng 16
1.1 Lịch sử phát triển điôt phát quang (LED) 16
1.2 Cơ sở vật lý của LED 17
1.2.1 Sự hình thành chuyển tiếp pn - chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng 17
1.2.2 Chuyển tiếp pn ở điều kiện không cân bằng 20
1.2.2.1. Chuyển tiếp pn phân cực thuận 20
1.2.2.2 Chuyển tiếp pn phân cực ngược 22
1.3 Tái hợp phát xạ và tái hợp không phát xạ 22
1.3.1 Tái hợp phát xạ 22
1.3.2 Tái hợp không phát xạ 23
1.4 Điôt phát quang (LED) 25
1.4.1 Cấu trúc 25
1.4.2 Nguyên lý hoạt động 26
1.4.3 Vật liệu chế tạo 27
1.4.4 Phương pháp công nghệ chế tạo LED 28
1.4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các thông số của LED 29
1.4.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp đặt vào 29
1.4.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông 30
1.4.6 Phổ phát xạ 31
1.5 HPCOBLED (High Power Chip On Board Light Emitting Diode) 32
1.6 Ứng dụng 33
Kết luận chương 34

Kết luận chương 53
Chương 3 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và xây dựng hệ đo quang thông
HPCOBLED 54
3.1 Phương pháp đo quang thông sử dụng hệ đo quả cầu tích phân kết hợp
thiết bị đo phổ bức xạ và quang kế chuẩn 54
3.1.1 Nguyên lý của phương pháp ISSPM 54
3.1.2 Sơ đồ khối của phương pháp ISSPM 55
3.2 Thiết kế, chế tạo và xây dựng hệ đo 56
3.2.1 Thiết kế quả cầu tích phân 56
3.2.1.1 Các yêu cầu kỹ thuật của quả cầu tích phân 56
3.2.1.2 Xác định phần diện tích mở A
i
trên quả cầu tích phân 56
3.2.1.3 Thiết kế các tấm chắn sáng 57
3.2.2 Chọn đèn chuẩn phổ 59
3.2.3 Chọn thiết bị đo phổ bức xạ 60
3

3.2.4 Chọn quang kế chuẩn 60
3.2.5 Chọn nguồn DC 61
3.2.6 Chọn bộ ổn định nhiệt độ (TEC) 61
3.2.7 Xác định các thiết bị phụ trợ đo kiểm soát nguồn DC 61
3.3 Chế tạo quả cầu tích phân và các bộ phận đi kèm 61
3.3.1 Chế tạo quả cầu tích phân 61
3.3.2 Chế tạo các tấm chắn sáng 62
3.3.3 Lắng đọng lớp phủ phản xạ khuếch tán 62
3.3.3.1 Thực nghiệm 63
3.3.3.2 Xác định tỉ lệ dung dịch phun 63
3.3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách phun 65
3.3.3.4 Ảnh hưởng của áp suất phun 67

4.1.2 Mô hình Mark W.Hodapp không thể sử dụng đối với HPCOBLED 89
4.2 Mô hình HPCOBLED (High Power COB LED Model) 97
4

4.2.1 Giả thiết của mô hình HPCOBLED 98
4.2.2 Mô hình HPCOBLED 98
4.3 Đánh giá độ chính xác của mô hình HPCOBLED 99
4.4 Ứng dụng xác định quang thông của HPCOBLED theo nhiệt độ khi hệ đo
không sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ (TEC) 101
4.4.1 Phương pháp xác định quang thông theo mô hình HPCOBLED ở Tc = 25
0
C
102
4.4.2 Chuẩn bị thực nghiệm 102
4.4.3 Thực nghiệm 103
4.4.4 Kết quả thực nghiệm và thảo luận 103
Kết luận chương 104
Kết luận 106
Danh mục các công trình 107
Bản quyền và sáng chế 107
Tài liệu tham khảo 109
Phụ lục 114
Dng hình hc 


Dng hình hc 
e
Electron
n t
E
c
Bottom of the conduction band energy
n
E
e
Electron energy
Nng cn t
E
Fn
Fermi level of the semiconductor n
Mc Fermi ca bán dn n
E
Fp

Fermi level of the semiconductor p
Mc Fermi ca bán dn p
E
g
Band gap energy
 rng vùng cm
E
h

N
v
The effective density of states of
the valence band
N trng thái hiu dng trong
vùng hoá tr
p
Hole density
Nng  l trng
R
a
Color rendering index
H s hoàn màu
R
Auger
Auger recombination rate
T tái hp Auger
R
th j-a

Thermal resistance from junction to to
ambient
Nhit tr t chuyn ti n môi
ng
6
j
Junction temperature
Nhi chuyn tip
T
sp
Solder point temperature
Nhi m hàn
V
Voltage
n áp

Frequency
Tn s

e
Radiant flux
ng bc x

Solid angle
Góc khi





Spectral sensitivity of the human eye
functions
H
7


CT
Color Temperature
Nhi màu
DC
DC supply
Ngun DC
DE
Droop effect
Hiu 
EL
Electroluminescence
n hunh quang
EMS
Electromagnetic Spectrum

G
Green
Màu xanh lá cây
GPM
Goniophotometer Methhod
     

HPCOBLED
High Power Chip On Board
Light Emitting Diode
COBLED công sut cao
IR
Infra Red

IS

MOCVD
Metal Organic Chemical Vapor
Deposition
L ng hóa hc t   p
ch
NIST
National Institute of Standards
and Technology (USA)

gia (USA)
NMIs
National Metrology Instituties
Các Ving quc gia
SSL
Solid State Lighting
Ngun sáng rn
R
Red

TEC
Thermo Electric Cooler
B làm lnh
UV
Ultra Violet


Bng 4.1 Kt qu kho sát s ph thuc quang thông vào nhi i vi HPCOBLED
90
Bng 4.2 Giá tr quang thông ca các HPCOBLED tính theo mô hình Mark (4.2). 92
B chênh lch nhi a các HPCOBLED. 97
Bng 4.4 S suy gim công sut ca các HPCOBLED theo nhi Tc. 99
Bng 4.5 Quang thông c tn nhit. 103
Bng 4.6 Quang thông ca các HPCOBLED ti nhi Tc=25 0C theo mô hình
HPCOBLED. 104
Danh mục các hình vẽ và đồ thị

10

Hình 1.1 Quá trình phát trin LED [78]. 16
Hình 1.2 S hình thành chuyn tip pn. 17
Hình 1.3 Gi ng ca chuyn tip pn  u kin cân bng nhit [25]. 18
Hình 1. 4 Gi ng ca chuyn tip pn phân cc thun. 20
c tuyn I-V ca chuyn tic làm t các vt liu bán dn khác nhau. 21
Hình 1. 6 Gi ng chuyn tip pn phân cc. 22
Hình 1.7 Tái hn t - l trng [28]. 23
Hình 1.8 Các quá trình tái hp cn t và l trng 24

Hình 2.13 Dng hình h 52

Hình 3.  khi h  55
Hình 3.2 V c tm chn sáng 1 57
11

c và v trí tm chn sáng 2 58
c và v trí tm chn sáng 3 58
Hình 3.5 Bn v tng th qu cng kính d = 1 m. 59
Hình 3.6 Hàm ph  nhi f
1
 ca quang k chun [62, 81]. 60
Hình 3.7 Bán c 62
Hình 3.8 Ph phn x khuch tán vi t l hp phn dung dch phun khác nhau 64
Hình 3.9 Ph phn x khuch tán vi khong cách phun khác nhau 66
Hình 3.10 nh chp hình thái b mt ca lp ph vi khong cách phun khác nhau 67
Hình 3.11 Ph phn x vi áp sut phun khác nhau 68
Hình 3.12 nh hình thái b mt ca lp ph  các áp sut phun khác nhau 69
Hình 3.13 Ph phn x vi chiu dày lp ph khác nhau 70
Hình 3.14 Quy trình công ngh lng lp ph phn x khuch tán t vt liu BaSO
4
. 71
Hình 3.15 Bán qu cu tích phân sau khi lng lp phn x khuch tán. 71
Hình 3.16 H VMI-PR-001 sau khi hoàn thành lt. 72
Hình 3.17 V trí ln ph bên trong qu cu tích phân. 73
Hình 3.18 Kt qu hiu chun ph công sut. 74
Hình 3.19 Kt qu  nh h th. 75
Hình 3.20 nh HPc g tn nhit TECMount 284. 77
Hình 3.21 Ph công sut ca HPCOBLED, (216A, S/N: 033). 79
 th s ph thuc ca ph công sut vào nhi và dòng I

Hình 4.5 S suy gim quang thông khi nhi i vi các HPCOBLED 93
12

Hình 4.6 nh phân b nhit ca các HPCOBLED ti Tc = 25
0
C 94
Hình 4.7 Phân b nhit ca các HPCOBLED ti Tc = 55
0
C 95
Hình 4.8 Phân b nhit ca các HPCOBLED ti T
c
= 85
0
C 96
 mt ct ngang ca mt HPCOBLED 97
 t tr ca HPCOBLED (b). 98
 th ph thuc ca quang thông vào nhi ca các HPCOBLED so sánh
gia giá tr thc nghim và giá tr tính theo mô hình HPCOBLED 100
 th so sánh kt qu thc nghim, kt qu theo mô hình HPCOBLED 101
Hình 4.13 nh HPCOBLED g tn nhit 103




[17,27,30,39,45,46,52,66,69,73,76].

cá

 
          .      


f
 [6,9,17,31,36,44,52,55,56,64,69,81,85-89].
 
LED nói chung và HPCOBLED
nói riêng.

, 
các HPCOBLED . 

Q                 


 
 là,  
HPCOBLED, các    25
0
C và
m

  

.
  .
2. 
f
   
các HPCOBLED.
3. 

4. N             
5
0

Phương pháp nghiên cứu

  
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
 P             

 n.
 C                 
   
(380 ÷ 780) 
15

  thành công 

 N
 Tc 
 16

Chương 1
Tổng quan về COB LED công suất cao và các ứng dụng trong
công nghệ chiếu sáng
1.1 Lịch sử phát triển điôt phát quang (LED)
 


Hình 1.1 Quá trình phát triển LED [78].
T hình 1.1 có th thy, quá trình phát trin LED có các mc phát trin quan trng sau 

1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
nh quang

t

Edison
17

 to thành công LED phát quang màu xanh lá cây t bán
dt hiu sut khong ~ 10% [66,75,77].
Có th thy, vic ch to thành công các LED phát ra các , xanh da tri và
xanh  hu ht ph màu sc mà mi có th cm nhc.
ng, s phát trin c vt liu InGaN là ti  ch to
LED ánh sáng trng. Tht vi Nhc nhn gii
ng Công ngh thiên niên k (Millennium Technology) cho phát minh LED ánh sáng
trng [75,77].
 
  

v

v

n t
Bán dn p
L trng
Tip xúc công ngh
Vùng n tích
không gian
18

n cân bng n tp cht donor và n l trng trong bán dn loi p cân bng nng
 tp chy, n cn t và l trc biu din
theo biu thc sau [5,8,25].
n = N
d
(1.1)
p = N
a
(1.2)
 
d
là n tp cht donor và N
a
là n tp cht acceptor.
Ngoài các ht dn, trong bán dn tp cht còn cha các ht dn thiu s (các ht
dn), nói cách khác, trong bán dn loi n có cha mt s l trng vi nng
 p
n
và trong bán dn loi p có cha mt s n t vi n n
p
. N ht ti trong
mt cht bán dn bt k có th nh t nh lut khng hiu dc

D E
Fn

E
Fp

này d
m 
trên hình 1.3.

Hình 1.3 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng nhiệt [25].
T hình 1.3, có th nh th khuch tán theo biu thc sau:







 


E
c

E
Fi


diff

19

 nhi ion hóa, n n t trong bán dn n  u kin cân bng n
o
c xác
nh theo biu thc sau [25]:











 (1.5)
vi Nc là nng  trng thái hiu dng trong vùng dn, E
F
ng Fermi, E











 (1.8)
, trong bán dn loi p, n l trng  u kin cân bng p
o
nh
theo biu thc sau:













 (1.9)










 (1.12)
 u kin cân bng, liên h gia chiu dày vùng n tích không gian trong các vùng bán
dn loi n và loc biu din theo biu thc sau [25]:








(1.13)
T các biu thc (1.13) và (1.12), chúng ta có th c các chin
tích không gian trong bán dn loi n và loi p ca chuyn tip pn [25]:









20

D dàng thy rng, chin tích không gian ca chuyn tic xác
tng các chin tích không gian trong bán dn loi n và loi p,
hay là:
L = L
n
+L
p
(1.16)
Thay các biu thc (1.14) và (1.15) vào biu thc (1.16), chi   n tích
không gian ca chuyn tinh theo biu thc sau:














 (1.17)
 là hng s n môi ca bán dn.
Hình 1.3, y:
eV

 min p.
Hay là, th khuch tán s gn b ng vùng c   n tích e. Th
khuch tán này có th ng V
th
c nh theo biu
thc sau [25]:
V
bi

th

g
/e (1.19)
1.2.2 Chuyển tiếp pn ở điều kiện không cân bằng
1.2.2.1. Chuyển tiếp pn phân cực thuận
t mn áp V
f
vào chuyn tip pn vi ct lên bán dn p và cc âm
t lên bán dn n, ta nói rng chuyn tip pc phân cc thuu kin cân
bng ca chuyn tip pn s b phá v. ng ht vào s suy
gim mng V
f
và bng (V
bi
- V
f
), ng vi chiu cao rào th là e(V
bi
- V
f

p
E
c

E
Fi

E
Fn


diff

E
v

E
c

E
Fi

21

y, biu thc (1.17) có th c biu din li  sau [25]:


























 (1.22)
tn tích mt ct ngang ca chuyn tip pn, D
n
và D
p
là các h s khuch
tán cn t và l trng, 

và 



 (1.23)
-V ca các vt liu bán dn khác nhau ti nhi T = 300 c biu din trên
hình 1.5. Hình 1. 5 Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp pn được làm từ các vật liệu bán dẫn khác nhau.
T hình 1.5, d dàng nhn thy, ng vi mi mt loi vt liu bán dn khác nhau có
ng khác nhau.
n áp (V)
Dòng (mA)
22

1.2.2.2 Chuyển tiếp pn phân cực ngược
Nt lên chuyn tip pn mc V
R
t lên trên bán
dn n và ct lên bán dn p, ta nói chuyn tip pn phân cc.
ng hp này, có th thng ngoài cùng ching khuch
tán và ng tng cng s  dn chiu cao rào th i vi các ht d
bên mng eV



 

 (1.25)

R
c.
y, khi chuyn tip pn phân cc thì chin tích không gian
ng hp này, theo biu thc (1.17) nh chin tích không
gian c vit l:

















 (1.26)
1.3 Tái hợp phát xạ và tái hợp không phát xạ

eV
t

e
Fn

E
v

E
c

E
Fi

23

nuôi. Các ht t tham gia vào quá trình tái hp khi có mn t trong
vùng dn n gn vi l trng trong vùng hóa tr. Trong quá trình tái hn t - l trng
kt hp to thành mt cp và mng  c gii phóng. Ví d, mn
t nh x   vùng dn có th tái hp vi mt l trng nh x  nh
vùng hóa tr (hình 1.7).  n s suy gim n ht t mô
t cho s suy gim n ht tm t tái h
bit, xác sut tái hp cn t - l trng t l vi n cp (hoc
y, R s t l vi tích n n t và l trng hay là R  pn và R có th xác
nh theo biu thc sau [28]:





n honh vùng hóa tr.
T tái hp Auger R
Auger
c biu din bi các biu th28]:






(1.26)






 (1.27)
n t
L trng
E
C

E
V

24


p

ca vt liu. Nguyên nhân là do t tái hp R
Auger
t l vi l ht ti.
H s ng trong khong (10
-28
÷ 10
-29
) cm
6
i vi các bán dn hp
cht A
III
B
V
[28].
C biu ding
cn t và l trng theo hàm s E(k) và có dng parabol  gn cc tr (Hình 1.8). Do
cu trúc và phân b nguyên t khác nhau trong tinh th nên các trng ca
n t trong vùng dn và l trng trong vùng hóa tr phân b có các cc tr khác nhau
trong không gian E(k).


 Hình 1.9 mô t quá trình tái hp cp n t - l trng trong mng
tinh th. Có th thy, quá trình tái hp cn t - l trng phát x photon (hình 1.9a) và
không phát x mà chuyn thành ng mng tinh th (hình 1.9b).
Hình 1.9 Quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống trong mạng tinh thể [28]
a) Quá trình tái hợp phát xạ ra photon
b) Quá trình tái hợp không phát xạ hình thành dao động mạng.
1.4 Điôt phát quang (LED)
Có th thy, m bn cht là mt chuyn tip pt mt
n áp thun thì chuyn tip pn s phát sáng. Theo các thông báo ca các tác gi trong
[28,70], hu hi là các chuyn tip pn có n pha tp cao kiu
t ngng photon phát ra xp x bng vùng c E
g
.
1.4.1 Cấu trúc
Mt cn hình ca LED c biu din trên hình 1.10.