Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, ngoài ánh nắng ấm áp, Đèn LED đã trở thành nguồn chiếu sáng chính. Từ màn hình điện thoại di động luôn đồng hành cùng chúng ta cho đến ánh sáng trong nhà ấm cúng và thoải mái, và sau đó là ánh đèn neon rực rỡ tô điểm cho các thành phố về đêm, Đèn LED quyến rũ mọi người bởi sự quyến rũ độc đáo của chúng. Vì thế, tại sao chính xác đèn LED có thể phát ra ánh sáng, và làm thế nào chúng có thể hiển thị nhiều màu sắc phong phú như màu trắng, màu xanh lá, màu xanh da trời, và màu đỏ? Những bí ẩn khoa học nào ẩn sau hiện tượng này? Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn và cùng nhau khám phá.
Tại sao đèn LED có thể phát ra ánh sáng?
Đèn LED thực chất là một điốt phát sáng, được làm bằng vật liệu bán dẫn. Nguyên lý đằng sau khả năng phát ra ánh sáng của đèn LED dựa trên cấu trúc dải năng lượng độc đáo của nó và quá trình tái hợp sóng mang.
Vật liệu bán dẫn là tinh thể chất lượng cao trong đó các nguyên tử được sắp xếp tuần hoàn trong không gian. Mỗi nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm. Vì tinh thể chứa nhiều nguyên tử, những nguyên tử này tương tác với nhau. Sự tương tác định kỳ này hình thành các dải năng lượng trong tinh thể, và có rất nhiều dải năng lượng hiện diện. Mỗi vùng năng lượng cung cấp nhiều vị trí cho các electron chiếm giữ, và sự phân bố electron trong vùng năng lượng tiến triển từ vị trí năng lượng thấp nhất đến vị trí có năng lượng cao hơn.
Trong vùng năng lượng của tinh thể, một số bị chiếm giữ bởi các electron trong khi một số khác thì không. Trong số các dải năng lượng bị chiếm giữ, người có năng lượng cao nhất, nếu chỉ chứa đầy một phần electron, được gọi là dải dẫn. Các electron trong vùng dẫn cư trú ở mức năng lượng tương đối cao và có đủ năng lượng để di chuyển tự do, từ đó hình thành dòng điện. Ngược lại, nếu dải năng lượng này chứa đầy electron, nó được gọi là dải hóa trị. Các electron trong vùng hóa trị ở mức năng lượng thấp hơn, và năng lượng của chúng không đủ để cho phép chúng di chuyển tự do. Có một khoảng cách năng lượng nhất định giữa đỉnh dải hóa trị và đáy dải dẫn, được gọi là bandgap hoặc ban nhạc bị cấm. Các electron không thể cư trú trong vùng này, mặc dù họ có thể vượt qua nó.
Khi một điện áp bên ngoài được áp dụng, một số electron ở vùng hóa trị có thể bị kích thích lên vùng dẫn, hình thành các hạt mang điện chuyển động tự do. Trong khi đó, trong dải hóa trị ban đầu bị chiếm giữ hoàn toàn, sự vắng mặt của một số electron để lại các vị trí trống, mà chúng tôi gọi là lỗ. Quá trình chuyển động và tái kết hợp của các hạt mang điện này trong vật liệu bán dẫn là rất quan trọng để đạt được sự phát xạ ánh sáng..
Đèn LED là một điốt phát sáng, bao gồm một cấu trúc diode với một điểm nối PN được hình thành bằng cách kết hợp các chất bán dẫn loại P và loại N. Khi chúng ta đặt các chất bán dẫn loại P và loại N lại với nhau, ngay cả khi không kết nối chúng với một mạch điện, một số electron sẽ khuếch tán từ chất bán dẫn loại N sang chất bán dẫn loại P và rơi vào các lỗ trống trong vật liệu loại P. Điều này làm cho chất bán dẫn loại P thu được điện tích âm nhẹ, trong khi chất bán dẫn loại N trở nên tích điện dương nhẹ, dẫn đến hình thành điện trường bên trong, được gọi là ngã ba PN. Trong ngã ba PN, khi các electron gặp lỗ trống, các electron ở vùng dẫn sẽ nhảy vào các lỗ trống ở vùng hóa trị. Trong quá trình tái hợp electron-lỗ trống này, năng lượng được giải phóng dưới dạng ánh sáng. Đây là nguyên tắc cơ bản đằng sau cách đèn LED phát ra ánh sáng.
Đèn LED phát ra ánh sáng có nhiều màu sắc khác nhau
Mức năng lượng tham gia vào quá trình phát sáng có liên quan đến cấu trúc dải năng lượng của vật liệu bán dẫn. Các vật liệu và cấu trúc dải năng lượng khác nhau dẫn đến bước sóng và màu sắc phát xạ khác nhau. Cụ thể:
Sự chuyển đổi điện tử và sự khác biệt về năng lượng
Khi electron chuyển từ quỹ đạo có năng lượng cao hơn sang quỹ đạo có năng lượng thấp hơn, nó giải phóng năng lượng lan truyền dưới dạng sóng điện từ. Sự chênh lệch năng lượng được giải phóng trong quá trình chuyển đổi electron khác nhau giữa các nguyên tố khác nhau, tương ứng với ánh sáng có bước sóng khác nhau. Năng lượng càng lớn, bước sóng càng ngắn. Trong quang phổ, năng lượng cần thiết tăng dần từ trái sang phải. Đây là lý do tại sao đèn LED màu đỏ được phát minh đầu tiên, vì chúng đòi hỏi ít năng lượng nhất, tiếp theo là màu xanh lá cây, và sau đó là màu xanh. Đây cũng là lý do tại sao việc phát minh ra đèn LED màu xanh lại là một thách thức, vì ánh sáng xanh cần nhiều năng lượng hơn.
Bước sóng của 400-500 nanomet tương ứng với ánh sáng xanh, 500-600 nanomet đến ánh sáng xanh, Và 600-700 nanomet đến ánh sáng đỏ.
Lựa chọn vật liệu và kiểm soát màu sắc
Điểm nối PN bên trong đèn LED thường bao gồm các hợp chất như gallium arsenide phosphide. Khi sử dụng các vật liệu khác nhau, bước sóng của ánh sáng phát ra khi điện khí hóa thay đổi. Vì thế, chỉ bằng cách thay đổi vật liệu của mối nối PN bên trong, Có thể tạo ra các điốt phát quang có màu sắc khác nhau.
Đèn LED màu xanh: Khi sử dụng gali nitrit làm vật liệu bán dẫn, năng lượng chuyển tiếp điện tử tương đối cao, phát ra ánh sáng có bước sóng xấp xỉ 460 nanomet, xuất hiện màu xanh. Đây là nguyên lý đằng sau sự phát xạ của đèn LED màu xanh.
Đèn LED xanh: Khi sử dụng gali photphua, ánh sáng phát ra có bước sóng khoảng 560 nanomet, trình bày một màu xanh lá cây. Điều này giải thích cơ chế phát xạ của đèn LED xanh.
Đèn LED màu đỏ: Galli arsenua, mặt khác, phát ra ánh sáng có bước sóng xấp xỉ 660 nanomet, xuất hiện màu đỏ. Đây là nguyên tắc phát ra đèn LED màu đỏ.
Để tạo ra ánh sáng trắng bằng đèn LED, còn được gọi là đèn LED trắng, cần thiết kế bổ sung. Một phương pháp liên quan đến việc kết hợp các điốt phát sáng có màu sắc khác nhau để tạo ra hiệu ứng ánh sáng trắng. Một cách tiếp cận khác sử dụng đèn LED màu xanh được phủ phốt pho. Ánh sáng xanh phát ra từ đèn LED chiếu sáng phốt pho, chuyển đổi một phần ánh sáng xanh thành các màu ánh sáng khác. Hiệu ứng cuối cùng xuất hiện dưới dạng ánh sáng trắng.
Thông qua phần giới thiệu chi tiết ở trên về nguyên lý phát sáng của đèn LED và cơ chế phát ra các màu sắc khác nhau của chúng, Tôi tin rằng bây giờ mọi người đã hiểu sâu hơn về đèn LED. Với những tiến bộ công nghệ không ngừng, các ứng dụng của đèn LED trong các lĩnh vực khác nhau như chiếu sáng và hiển thị sẽ càng trở nên phổ biến và đáng chú ý hơn.
