Đèn LED phát ra ánh sáng như thế nào?

Bạn sẽ học được gì

• Giải thích vai trò tái hợp electron và lỗ trống.
• Phân biệt ánh sáng LED màu với ánh sáng trắng.
• Nhận ra vì sao năng lượng điện không biến hết thành ánh sáng.

Cần biết trước

Đọc bài nền tảng được liên kết ở phần điều kiện tiên quyết. Bài này chỉ giải thích nguyên lý, không yêu cầu lắp hay tháo thiết bị.

Dòng điện dẫn tới phát sáng như thế nào?

Electron là hạt mang điện, còn lỗ trống là chỗ thiếu electron trong cách mô tả bán dẫn. Khi dòng điện đi qua LED, các cặp electron và lỗ trống có thể tái hợp để phát sáng.

Chuỗi cần nhớ là điện cấp vào, tương tác trong vật liệu bán dẫn, rồi ánh sáng đi ra. Vỏ đèn giúp quan sát ánh sáng nhưng không phải bằng chứng rằng toàn bộ vỏ tự sinh sáng như một khối vật liệu đồng nhất.

• Vỏ LED minh họa
• Lớp chuyển đổi ánh sáng

Từ ánh sáng màu tới ánh sáng trắng

LED không vốn là nguồn ánh sáng trắng. Nguồn LED thường phát ánh sáng gần đơn sắc. Một cách tạo trắng là dùng phosphor, vật liệu chuyển đổi một phần ánh sáng màu; cách khác là trộn ánh sáng từ các LED có màu khác nhau. Có thể phối hợp cả hai cách.

Vì thế nhìn thấy bóng đèn trắng không đủ để kết luận từng LED bên trong tự phát ra mọi màu. Phải phân biệt nơi phát sáng ban đầu với phần chuyển đổi và pha trộn sau đó.

Vì sao vẫn có tổn hao?

Không phải mọi lần tái hợp đều tạo ánh sáng hữu ích. Trong nghiên cứu LED gallium nitride được dẫn ở đây, khuyết nguyên tử gallium có thể tạo đường tái hợp không phát sáng.

Hiệu quả của đèn hoàn chỉnh còn phụ thuộc bộ nguồn và thiết kế bộ đèn. Đánh giá cả đèn chỉ bằng đặc tính của phần tử LED sẽ bỏ qua các phần khác trong đường năng lượng.

Ví dụ để tự kiểm tra

Theo năng lượng đi qua hai chiếc đèn giả định, đây là so sánh chức năng, không cần mở bóng đèn thật. Đèn thứ nhất là đèn tín hiệu phát màu: điện cấp vào LED, các cặp electron và lỗ trống tái hợp trong vật liệu bán dẫn và phát ra ánh sáng gần đơn sắc, đó cũng là màu người nhìn thấy. Năng lượng có thể mất ở những lần tái hợp không phát sáng, ví dụ do khuyết nguyên tử gallium trong nghiên cứu LED gallium nitride được dẫn.

Đèn thứ hai là đèn chiếu sáng trắng: có thêm một bước sau phát sáng, hoặc chuyển đổi bằng phosphor, hoặc trộn các LED khác màu. Vì thế ánh sáng trắng người đọc thấy không có nghĩa từng LED bên trong phát ra mọi màu. Cuối cùng, hiệu quả của cả đèn còn phụ thuộc bộ nguồn và thiết kế bộ đèn, chứ không chỉ phần tử LED.

Câu hỏi thường gặp

LED trắng có nhất thiết là nhiều màu LED không?

Không. Chuyển đổi phosphor là một cách khác.

Mọi điện năng vào LED đều thành ánh sáng không?

Không. Có đường tái hợp không phát sáng và tổn hao ở các phần khác của đèn.

Tóm tắt

• Tái hợp electron và lỗ trống có thể tạo ánh sáng.
• Ánh sáng trắng có thể cần chuyển đổi hoặc pha màu.
• Đặc tính LED và hiệu quả của cả đèn là hai phạm vi khác nhau.