Led

electrodes
semiconductor
chip
epoxy
dome
bond wires
“silver cup”
reflector
A packaged LED
Different parts of an LED
NGUỒN SÁNG
(LIGHT EMITTING DIODES & LASER)
Sự tương tác giữa ánh sáng với vật chất:

Bức xạ
Hấp thụ
Truyền qua
Phản xạ
PHÁT QUANG
Quá trình tái hợp của cặp electron-lỗ trống tạo ra bức xạ ánh sáng
gọi là phát quang.
Tùy theo phương pháp tạo ra cặp electron lỗ trống mà ta chia phát
quang thành các loại sau:
Electron được kích thích do hấp thụ photon gọi là quang phát quang
(photoluminescence).
A�nh sáng được phát ra từ vật nung nóng gọi là incandescence.
Quá trình kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫnbằng chùm
electron năng lượng cao gọi là cathodoluminescence.
Quá trình kích thích electron hóa trị từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bằng
dòng AC hoặc DC gọi là electroluminescence
n
c
i
p
l
e
s

o
f

E
l
e
c
t
r
o
n
i
c

M
a
t
e
r
i
a
l
s

a
n
d

D
e
v
i
c
e
s
,

S
e
c
o
n
d

E
d
i
t
i
o
n
,

S
.
O
.

K
a
s
a
p

(
©

M
c
G
r
a
w
-
H
i
l
l
,

2
0
0
2
)
h
t
t
p
:
/
/
M
a
t
e
r
i
a
l
s
.
U
s
a
s
k
.
C
a
Quá trình hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ kích thích
NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA LED
1.Light emitting diode (LED)
Khi diode được phân cực thuận sẽ có sự phun electron và lỗ trống. Lỗ trống được phun vào miền n tái hợp với electron và tạo ra photon nhưng các photon này không ló ra được khỏi bề mặt LED. Ngược lại các electron được phun qua miền p khi tái hợp sẽ bức xạ photon và những photon này ở gần bề mặt nên ló ra ngoài với xác suất cao.
Homojunction leds
CHUYỂN MỨC THẲNG - CHUYỂN MỨC NGHIÊNG
Semiconductor Alloys
Mixture of semiconductors:
 GaAs and AlAs to form AlxGa1-xAs (ternary alloy) with x the relative
proportion of the group III-elements Ga and As in the alloy.
 GaAs and InP to form GaxIn1-xAsyP1-y (quaternary alloy)
 …
Độ dài sóng của bức xạ được xác định bởi độ rộng vùng cấm
của vật liệu làm LED
Sử dụng bán dẫn pha tạp rất tiện lợi vì ta có thể thay đổi độ rộng vùng cấm theo từng tỷ lệ pha khác nhau.
Diod p-i-n

Diod p-i-n là một mối nối p-n với một lớp intrinsic (thường
pha tạp ít) ở giữa 2 lớp p và n
Hiệu suất lượng tử bên trong:
Là hiệu suất chuyển đổi cặp electron - lỗ trống thành photon



Ơ� đây ILED dòng của thiết bị, PLED,int là công suất của photon tạo thành
Hiệu suất lượng tử bên trong là sự chênh lệch giữa tái hợp bức xạ và không
bức xạ
recombination times ?rad and ?non-rad
?rad << ?non-rad is desired
Non-radiative recombination processes
Auger
Surface trap assisted recombination
Interface and bulk trap assisted recombination
Radiative recombinations
Band to band
Band to impurity
Excitonic
Donor-acceptor
This is LED external quantum efficiency
This is LED wall plug efficiency
Basic LED design:
Quá trình tái hợp sẽ tạo ra photon. Để những photon này thoát ra khỏi thiết bị thì phải thiết kế LED để sự hao hụt được giảm tối thiểu.
Có 3 sự hao hụt chính :
- Các photon được tạo ra sẽ bị hấp thụ lại trong chất bán dẫn ( bằng cách kích thích tạo ra 1 cặp e-h mới)
- Một lượng photon sẽ bị phản xạ tạo mặt phân giới giữa không khí và chất bán dẫn (Fresnel losses).
R={(n2-n1)/(n2+n1)}
Đối với LED GaAs, nếu ta chọn n2= 3,66 , n1 = 1,0 thì độ hao hụt R= 0,33 tức là 30% photon không thể bức xạ ra ngoài.
Một vài photon tới bề mặt phân giới góc tới lơn hơn góc tới hạn nên bị phản xạ toàn phần (Critical angle loss)
?> ?C with ?C=sin-1(n1/n2)
critical angle [e.g. ?C=17o for GaP/air interface with n2=3.45, n1=1]
Hiệu suất lượng tử ngoài:
Critical angle for transmission:
GaN (n = 2.3) / air interface: qc = 25.7 o
Sapphire (n = 1.75) / air interface: qc = 34.8 o
qc
nout
ns
T I R
Schematic diagram for loss due to total internal reflection
Each subsequent reflection results in light loss
The photons will only escape through a cone with half-angle c
Fresnel loss
T(q) – angle dependent transmission coefficient
through semiconductor/outside material interface
(averaged over polarization)
GaN / air: 84.5 %
Sapphire / air: 92.6 %
GaN / air: 4.2 %
Sapphire / air: 8.3 %
nout
ns
qc
j
It is obvious that the efficiency will be extremely low for unpackaged devices in spite of very good internal quantum efficiency
Enhancement of efficiency by encapsulation
Problems with homojunction LEDs:
Light emitting junction should be as near the surface as possible to avoid significant absorption. This is a problem since due to the surface state related issues
The minority carriers are distributed on each side of the junction over a few diffusion length and their recombination is not efficient
Problems are solved using double heterojunction because
The wider bandgap material on both sides of the smaller bandgap material does not absorb light so junctions can be deep inside the material
The carriers will be confined much better due to the conduction and valence band offsets in a double heterostructure design

So sánh giữa Homojunction leds & heterojunction leds :
P – i – N double heterostructure
In double heterostructure the recombination takes place in the narrow band gap material (active region)
Emitted quanta hn are not absorbed in wide bandgap layers, and so the recombination does not have to be near the surface
With sufficient Ec, the escape of carriers from the active region can be minimized, and carrier recombination can be enhanced
1 < n < 2 ideality factor
Heterojunction leds
Heterojunction LEDs
electron and hole confinement
in same spatial region of device



dramatically increased quantum
and wall-plug efficiency
Spectral width of LED types
Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000
Thuận lợi
Dễ: chế tạo, kết hợp với những thiết bị khác,
Không cần kính lọc mà vẫn cho ánh sáng có màu sắc khác nhau
Cao: tần số hoạt động cao, tuổi thọ
Bé: thể tích, công suất tiêu hao, thế vào
Cho ánh sáng đơn sắc cao (đối với mắt người)

Hạn chế của LED:
Cho phổ rộng, không liên tục (< - diod Laser),
Ngõ ra thấp
NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA Laser Diodes (LDs)
Tương tự led nhưng dựa theo cơ chế stimulated light emission.
2. Laser diode (LD)
Device with stimulated light emission as
a result of injection of carriers across a pn-junction
Fabry-Perot Resonator
[4-18]
R: reflectance of the optical intensity, k: optical wavenumber
Stimulated light emission
Requirement: population inversion
N2>N1

mirrors used to “re-cycle” photons”
Requirement:  <0
Gas laser (two-level system):
Semiconductor lasers (electronic bands):
“-” is called “gain”
Light amplification: I(x)=I0exp(-x)
Applications and basic characteristics of LDs
Basic characteristics:

“Single” wavelength operation

Coherent light

Directional beam

Fast: light can be modulated with frequencies up to 20GHz

High light output power possible (up to a few Watts)

High efficiency of converting electrical current into light (>50% possible)

Small devices: typically 300 m  1 m  50m
Main applications:

Optical fiber communications

CD / DVD players
LED and LD
LD (laser diode) works as LED if the operating current does not exceed the threshold value.