TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA VẬT LÝ
____________________

PHẠM THỊ NGỌC TÂM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LED TRẮNG
TỪ CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Vinh - 2011

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA VẬT LÝ
____________________

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LED TRẮNG
TỪ CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe

CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ CHẤT RẮN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Giáo viên hướng dẫn
: TS. Nguyễn
Quảng
Sinh viên thực hiện : Phạm Thị Ngọc Tâm
Lớp

2.4.2. Vài nét về lịch sử xuất hiện chấm lượng tử CdSe.....................26
2.4.3. Chế tạo chấm lượng tử CdSe từ CdO........................................26
2.4.4. Cấu trúc của chấm lượng tử CdSe.............................................27
2.4.5. Tính chất phát xạ quang của chấm lượng tử CdSe....................28
2.5. Ứng dụng của chấm lượng tử CdSe vào chế tạo LED trắng..................29
2.6. Mô hình cấu trúc LED trắng mới...........................................................32
2.7. Kết luận chương 2..................................................................................35
KẾT LUẬN..................................................................................................36
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................37

3


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh hiệu quả sử dụng đèn LED với đèn huỳnh quang.............14
Bảng 1.2. Một số vật liệu chế tạo LED với màu sắc và bước sóng phát xạ
tương ứng…………………………………………….................16
Bảng 2.1. Bề rộng vùng cấm ∆Eg của một số hợp chất AIIBVI........................19
Bảng 2.2. Bước sóng và độ rộng năng lượng vùng cấm.................................21
Bảng 2.3. Mối liên hệ giữa kích thước và bước sóng..............................34
Bảng 2.4. Liên hệ giữa kích thước, bước sóng và màu sắc phát xạ của CdSe......36

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phân cực cho lớp chuyển tiếp PN...................................................5
Hình 1.2. Đường đặc trưng V-A của lớp chuyển tiếp PN...............................6
Hình 1.3. Cấu trúc của LED...........................................................................7
Hình 1.4. Mô hình cấu trúc của LED..............................................................7

những ý kiến phê bình, đóng góp từ các thầy giáo, cô giáo, các bạn sinh viên
cũng như tất cả các bạn đọc khác.

Vinh, tháng 5 năm 2011
Tác giả

6


MỞ ĐẦU

Điện chiếu sáng thông thường chiếm cỡ 20% điện lượng tiêu thụ
của mỗi nước, một tỷ lệ rất đáng kể [13]. Vì thế, bất kỳ một cải tiến nào
về thiết bị chiếu sáng, từ hiệu suất phát sáng, tiết kiệm điện năng hay kéo
dài tuổi thọ của thiết bị cũng sẽ mang lại lợi ích lớn cho cộng đồng và
quốc gia. Cùng với yêu cầu ngày càng cao về công suất các thiết bị chiếu
sáng, yêu cầu giảm thiểu ô nhiễm cũng như năng lượng tiêu thụ của các
thiết bị đó cũng được đặt ra. Sự ra đời của các thế hệ bóng đèn tiết kiệm
điện năng là để từng bước đáp ứng nhu cầu đó. Đèn huỳnh quang thay thế dần
bóng đèn dây tóc đã giải quyết một phần điện năng dùng cho thắp sáng. Bóng
đèn compact ra đời với nhiều đặc tính ưu việt hơn hẳn các loại đèn trước đó
đã được nhiều người ưa chuộng và nhà nước khuyên dùng nhằm giảm điện
năng tiêu thụ. Mặc dù vậy, việc tìm tòi, phát minh các thiết bị chiếu sáng mới
nhằm cải tiến các tính năng của chúng như tiêu thụ ít điện năng, tuổi thọ được
kéo dài và công suất phát sáng lớn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của công
nghệ chiếu sáng vẫn tiếp tục được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm
nghiên cứu.
Công nghệ chiếu sáng từ điốt phát quang (Light Emiting Diode- LED)
lần đầu tiên được nhà khoa học người Nga Oleg Losve phát minh năm 1927
[8]. Bóng đèn LED được giới thiệu thương mại hóa lần đầu tiên ở Mỹ năm


8


Bằng phương pháp nghiên cứu các tài liệu, bài giảng và các bài báo khoa
học về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của LED, LED trắng dùng bán dẫn kích
thước nano cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn tôi đã
hoàn thành khóa luận.
Ngoài các phần Mở đầu và Kết luận, nội dung chính của khóa luận
được trình bày trong hai chương chính sau đây:
Chương 1, “Tổng quan về điốt phát ánh sáng trắng”, trình bày về
cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các tham số đặc trưng, ứng dụng của LED
đơn sắc. Một số nguyên tắc chế tạo LED trắng từ LED đơn sắc cũng được
mô tả trong chương này. Chương 1 kết thúc với phần trình bày về các vật
liệu chế tạo LED.
Chương 2, “Ứng dụng của chấm lượng tử CdSe trong chế tạo LED
trắng”, trình bày tính chất cơ bản của vật liệu bán dẫn tinh thể nhóm II-VI.
Đặc tính phát xạ quang phụ thuộc vào kích thước của các chấm lượng tử
CdSe được nghiên cứu ứng dụng trong chế tạo LED trắng. Các kết quả
nghiên cứu gần đây của nhiều nhóm tác giả trên thế giới cũng được phân
tích, so sánh, từ đó đưa ra mô hình LED trắng mới.
Phần Kết luận tóm tắt các kết quả chính đã đạt được của đề tài và
hướng phát triển của nó. Khóa luận được kết thúc với danh mục các tài liệu
tham khảo.

9


CHƯƠNG 1



Hình 1.1. Phân cực cho lớp chuyển tiếp PN [4]
(a) Phân cực thuận

(b) Phân cực ngược

Trước hết ta xét nguồn điện áp ngoài phân cực ngược cho lớp chuyển
tiếp PN: cực âm đặt vào bán dẫn P, cực dương đặt vào bán dẫn N (Hình 1.1
a). Khi đó, điện trường ngoài E 0 và điện trường tiếp xúc E tx cùng chiều, điện
trường tổng hợp E = Etx + E0 trên miền tiếp xúc rất lớn khiến hàng rào thế
năng ở lớp tiếp xúc được nâng cao lên, do vậy nó ngăn không cho dòng hạt tải
cơ bản qua lớp tiếp xúc. Ở trạng thái này, mặc dù dòng các hạt tải không cơ
bản được gia tốc mạnh nhưng do mật độ của chúng rất nhỏ nên dòng các hạt
không cơ bản nhanh chóng đạt tới giá trị bão hòa và có giá trị rất nhỏ Is.

11


Khi đổi chiều nguồn điện áp ngoài, cực dương được đặt vào bán dẫn P,
cực âm được đặt vào bán dẫn N, ta nói lớp tiếp xúc được phân cực thuận
(Hình 1.1 b). Khi đó, điện trường E 0 và điện trường tiếp xúc E tx ngược chiều,
điện trường tổng hợp E = Etx – E0 < Etx làm hàng rào thế năng giảm xuống,
dòng các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp xúc tăng rất nhanh (theo qui luật
hàm mũ) theo hiệu điện thế ngoài.
Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện qua lớp
tiếp xúc vào hiệu điện thế ngoài được biểu diễn theo Hình 1.2.

Hình 1.2. Đường đặc trưng V-A của lớp chuyển tiếp PN.
Dòng điện qua lớp tiếp xúc được biểu diễn thông qua phương trình:


tiếp PN. Khi phân cực thuận cho LED (cực dương nối với anốt, cực âm nối
với catốt), điện trường trong lớp chuyển tiếp PN có tác dụng “kéo” các điện
tử và lỗ trống di chuyển ngược chiều nhau và tái hợp với nhau trong vùng
chuyển tiếp. Kết quả của mỗi cuộc tái hợp là xuất hiện một photon (Hình 1.4).

Hình 1.3. Cấu trúc của LED

Hình 1.4. Mô hình cấu trúc của LED

13


Những chất bán dẫn có kích thước thông thường có độ rộng vùng cấm
nằm từ 1,6eV đến 3,2eV khi nhận được năng lượng kích thích thì chúng có
thể phát xạ ánh sáng từ màu đỏ đến màu tím. Bước sóng ánh sáng phát ra liên
hệ với độ rộng vùng cấm theo công thức sau:

λ ( µm) =

hc
1,242
=
∆E g ∆E g (eV )

(1.2)

trong đó, h = 6,625.10-34 J.s ; c = 3.108 m/s
Do đó, người ta có thể dùng chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác
nhau để kích thích cho nó phát ra những màu ánh sáng khác nhau. Dựa trên
nguyên lý này chúng ta đã chế tạo ra các đèn LED chỉ thị màu dùng trong


(1.4)

i
q

với ηi là hiệu suất lượng tử nội, là tỷ số của photon sinh ra và số điện tử được
phun vào chuyển tiếp.[1]
1.1.3.2. Dòng photon ngoại và hiệu suất
Dòng photon ngoài là dòng photon ló ra phía bên ngoài cấu trúc LED,
kí hiệu là φ0 , được tính theo công thức:

φ 0 = η eφ = η eη i

i
q

(
(1.5)

với ηe là hệ số truyền qua toàn phần, biểu thị số phần của dòng photon ló
được ra bên ngoài cấu trúc LED.[1]
Đặt kí hiệu: ηex = ηeηi gọi là hiệu suất lượng tử ngoài, biểu thị tỷ số
của số photon thoát ra ngoài dụng cụ và số hạt tải phun vào trong thời gian 1s.
Công suất quang của LED, kí hiệu là P 0, tỷ lệ với dòng photon ngoài,
được tính như sau: [1]

P0 = hνφ 0 = hνη ex
1.1.3.3. Độ nhạy


tròn đặt kính lọc màu. Bây giờ thay bằng cách các đèn LED trực tiếp cho ra
màu xanh, màu đỏ, màu vàng công suất chỉ 14W, nghĩa là chỉ bằng 1/10 công
suất của đèn sợi đốt. Đèn LED lại dễ dàng bật tắt nhanh, nhiều lần không
chậm chạp và mau hỏng như đèn compăc.

16


Các loại đèn hậu, đèn xi nhan của xe ô tô ở Châu Âu hiện nay trên 80%
là dùng đèn LED[13], rất tiết kiệm xăng, hầu như không phải thay đèn, cả đời
xe chỉ dùng một đời đèn. Tương tự, trang trí ở các show – room người ta dùng
đèn LED màu sắc rực rỡ hơn, rất ít tốn điện hơn và đặc biệt là không nóng.
Ngoài ra, LED được sử dụng nhiều trong các thiết bị điện tử như màn
hình diện thoại, màn hình ti vi,…

Hình1.6. Ứng dụng của
LED trong trang trí và giao thông.
Trên đây, chúng ta đã thấy
những đặc tính ưu việt của LED
cùng khả năng ứng dụng rộng rãi của nó. Nhận thấy tiềm năng to lớn của
LED, người ta đã nghiên cứu các phương pháp chế tạo LED trắng dựa trên
LED đơn sắc đã có, tạo bước ngoặt trong công nghệ chiếu sáng.
1.2. Nguyên tắc chế tạo LED trắng từ LED đơn sắc
Về nguyên tắc, ánh sáng ở mỗi đèn LED phát ra do sự nhảy từ hai mức
năng lượng nhất định ở hai bán dẫn tiếp xúc nhau của đèn LED đó. Vì vậy,
mỗi LED chỉ cho một màu xác định. Không thể tạo ra nhiều mức năng lượng
gần nhau để LED đồng thời phát ra nhiều màu tạo thành màu trắng. Sự thành
công của Shuji Nakamura trong chế tạo đèn LED cho ánh sáng xanh lam rất
sáng vào năm 1993 đã hé mở ra nhiều cách từ LED đơn sắc tạo LED trắng.
Sau đây trình bày một số nguyên tắc đã được sử dụng:

Hiện nay, cách dùng LED màu lam có phủ lớp photpho để cho ánh
sáng màu lục và màu đỏ cộng lại thành ánh sáng trắng là đơn giản, phổ cập,
có hiệu quả hơn cả. Hầu hết LED trắng hiện nay đều được chế tạo theo
cách này. [13]
Hiện nay, hiệu suất phát sáng của đèn LED trắng mới xấp xỉ bằng hiệu
suất phát sáng ở đèn huỳnh quang compact nhưng có nhiều ưu việt nổi bật so
với đèn compact. Phần sau trình bày những ưu điểm nổi bật của LED trắng
1.3. Ưu điểm của điốt phát ánh sáng trắng (WLED)
Đèn LED không có sợi đốt nên không lo bị đứt, không có khí bên
trong nên không dễ bị suy thoái, không có điện cực phóng điện nên không
dễ bị hư hỏng.
Tuổi thọ trung bình của đèn LED là 100.000 giờ, hơn mười lần tuổi
thọ của đèn compact. Nói chung tuổi thọ 100.000 giờ có nghĩa là nếu dùng
đèn 24 giờ một ngày, mỗi tuần dùng 7 ngày thì bóng đèn LED có thể dùng 11
năm mới hỏng.[13]
Đèn chỉ có hai điện cực làm việc với điện thế thấp một chiều cỡ dưới
5V, chỉ cần tạo ra được dòng điện nhỏ chạy qua là thắp sáng được đèn. Do đó
sử dụng ít nguy hiểm, dễ dàng sử dụng với những nguồn điện là ăcquy, là
điện tái tạo như pin mặt trời, pin nhiệt điện, thủy điện nhỏ, điện gió… Điện áp

19


nếu bị thay đổi ít nhiều thì đèn sáng ít hay sáng nhiều hơn chứ không dễ bị hư
hỏng, không làm việc được như đèn compact.
Đèn LED trắng có đủ loại công suất đáp ứng được nhiều yêu cầu chiếu
sáng: đèn LED trắng để thắp sáng ở gia đình, ở công xưởng, ở đèn trước của
xe ôtô, đèn ở đầu tàu hoả, thắp sáng đèn đường (Hình 1.9).

Hình 1.9. Ứng dụng của LED trong thắp sáng. [5]

2000

1.600

Tiền điện (0,12 USD/KWh)

108

240

192

Số đèn sử dụng trong 50.000 giờ

1

4,2

2,5

Giá mua bộ đèn (USD)

50

4,2

3,3

20


suất lượng tử rất thấp. Những vật liệu này thường được pha tạp với một số
nguyên tử tạp thích hợp, chúng đóng vai trò là những tâm tái hợp để làm tăng
tái hợp bức xạ[1]. Bảng sau đưa ra một số vật liệu bán dẫn thường được sử
dụng trong chế tạo LED.

21


Bảng 1.2. Một số vật liệu chế tạo LED với màu sắc và bước sóng phát xạ
tương ứng.[14]
Màu sắc
Hồng ngoại
Đỏ
Da cam
Vàng
Lục
Lam
Tím
Tia cực tím

Bước sóng phát xạ (nm)
λ > 760
610 < λ < 760
590 < λ < 610
570 < λ < 590
500 < λ < 570
450 < λ < 500
400 < λ < 450
λ < 400


điốt phát quang (LED) và điốt phát ánh sáng trắng (WLED) như cấu tạo,
nguyên lý hoạt động và các đặc trưng cơ bản và các lĩnh vực ứng dụng của
LED. Một số nguyên tắc tạo LED phát ánh sáng trắng từ các LED đơn sắc cơ
bản và các vật liệu truyền thống thường được sử dụng để chế tạo LED cũng
đã được thảo luận ở cuối chương.
Với xu thế phát triển của khoa học vật liệu, gần đây các vật liệu có cấu
trúc nano, điển hình là CdSe đang được quan tâm, nghiên cứu. Trong chương
tiếp theo, chúng tôi sẽ tìm hiểu về khả năng ứng dụng của các chấm lượng tử
CdSe trong chế tạo điốt phát ánh sáng trắng.

23


CHƯƠNG 2

ỨNG DỤNG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe
TRONG CHẾ TẠO LED TRẮNG

Trong vật lý bán dẫn, các chấm lượng tử với những đặc tính độc đáp
đang ngày càng được quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Tuy nhiên, khái niệm “chấm lượng tử” còn khá mới mẻ đối với nhiều sinh
viên. Chương 2 của khóa luận với tựa đề “Ứng dụng của chấm lượng tử CdSe
trong chế tạo LED trắng” sẽ đưa ra một số thông tin nhất định về các chấm
lượng tử nói chung và chấm lượng tử CdSe nói riêng.
Trước hết, chương này sẽ trình bày tổng quan về vật liệu bán dẫn, trong
đó nhấn mạnh vật liệu bán dẫn nhóm II-VI để bạn đọc có được cái nhìn tổng
quan về vật liệu bán dẫn vô cơ kích thước thông thường. Phần trọng tâm của
chương này trình bày tính chất phát quang và ứng dụng của chấm lượng tử
CdSe trong chế tạo LED trắng. Một số cấu trúc LED trắng đã dùng cũng được
giới thiệu. Phần cuối chương này đưa ra cấu trúc LED mới dựa trên các chấm

từ các nguyên tố nhóm II (Zn, C, Hg, Cd) kết hợp với các nguyên tố nhóm VI
(Se, S, Te) (gọi là nhóm AIIBVI). Ví dụ như, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe,…
Những hợp chất loại này thường dùng làm thiết bị phát quang. Bảng 2.1 mô
tả các bán dẫn hợp chất nhóm AIIBVI với độ rộng vùng cấm tương ứng.
Bảng 2.1. Bề rộng vùng cấm ∆E g của một số hợp chất AIIBVI .[3]
Bán dẫn ZnS ZnSe ZnTe CdS
Eg (eV)

3,7

2,6

2,1

CdSe CdTe

2,4

1,7

25

1,5

HgS
2,0

HgSe HgTe
0,6