Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu, phát triển phương pháp đo quang thông hpcobled (high power chip on b...

Tài liệu Nghiên cứu, phát triển phương pháp đo quang thông hpcobled (high power chip on board light emitting diode) và ứng dụng trong điều kiện thực

.PDF
114
697
82

Mô tả:

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 Chương 2 Nghiên cứu các phương pháp đo quang thông của HPCOBLED ....... 35 2.1 Phép đo bức xạ và phép đo trắc quang ...................................................... 35 2.1.1 Quan hệ giữa phép đo trắc quang và phép đo bức xạ.......................... 36 2.1.2 Các định nghĩa, đơn vị trong phép đo bức xạ và phép đo trắc quang .. 36 2.2 Hệ thống màu tiêu chuẩn CIE ..................................................................... 38 2.2.1 Phổ công suất ....................................................................................... 38 1 2.2.2 Hàm tổng hợp màu ............................................................................... 38 2.2.3 Tọa độ màu ........................................................................................... 40 2.2.4 Không gian màu đồng nhất ................................................................... 41 2.2.5 Trộn màu .............................................................................................. 42 2.2.6 Nhiệt độ màu CT (Color Temperature) ................................................. 42 2.2.7 Các nguồn sáng chuẩn theo CIE .......................................................... 44 2.2.7.1 Nguồn sáng chuẩn A ...................................................................... 44 2.2.7.2 Nguồn sáng chuẩn D ...................................................................... 44 2.2.8 Hệ số hoàn màu (Color Rendering Index - CRI hay ) ....................... 45 2.3 Nghiên cứu các phương pháp đo quang thông của HPCOBLED .................... 46 2.3.1 Phương pháp đo quang thông sử dụng quang góc kế - GPM .............. 46 2.3.1.1 Nguyên lý của phương pháp GPM ................................................. 46 2.3.1.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp GPM ....................................... 46 2.3.1.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp GPM ................................... 47 2.3.2 Phương pháp ISSM .............................................................................. 48 2.3.2.1 Nguyên lý của phương pháp ISSM ................................................ 48 2.3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ISSM ...................................... 49 2.3.2.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp ISSM .................................. 50 2.3.3 Phương pháp ISPM .............................................................................. 51 2.3.3.1 Nguyên lý của phương pháp ISPM ................................................ 51 2.3.3.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ISPM ...................................... 51 2.3.3.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp ISPM .................................. 53 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 Ai 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 2 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 3.3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ ................................... 69 3.4 Lắp đặt hệ đo VMI-PR-001 ......................................................................... 71 3.5 Hiệu chuẩn hệ đo VMI-PR-001 ................................................................... 73 3.5.1 Các bước thực hiện hiệu chuẩn ........................................................... 73 3.5.2 Đánh giá độ ổn định của hệ đo VMI-PR-001 ........................................ 75 3.6 Quy trình hiệu chuẩn quang thông của HPCOBLED................................... 76 3.6.1 Xác định hệ số hiệu chính kabs .............................................................. 76 3.6.2 Quy trình đo quang thông ..................................................................... 76 3.7 Kết quả hiệu chuẩn quang thông của HPCOBLED ..................................... 77 3.7.1 Kết quả xác định hệ số kabs ................................................................... 77 3.7.2 Xác định quang thông của HPCOBED.................................................. 78 3.7.3 Ước lượng độ không đảm bảo đo......................................................... 79 3.8 Nghiên cứu tính chất quang điện của HPCOBLED ..................................... 81 3.8.1 Khảo sát ảnh hưởng dòng If và nhiệt độ đến sự dịch chuyển đỉnh phổ công suất ....................................................................................................... 81 3.8.2 Ảnh hưởng dòng If và nhiệt độ đến các thông số quang ...................... 82 3.8.3 Khảo sát ảnh hưởng dòng nuôi và nhiệt độ đến các thông số màu ..... 86 Kết luận chương ............................................................................................... 87 Chương 4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông của HPCOBLED. Mô hình HPCOBLED ...................................................................... 88 4.1 Mô hình quang thông phụ thuộc nhiệt độ của Mark W.Hodapp .................. 88 4.1.1 Mô hình Mark W.Hodapp ...................................................................... 88 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 3 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 0C ..................................................................................................................... 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 Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt 4  Diffusion electric field Điện trường khuếch tán Luminous Flux Quang thông Radiant intensity Cường độ bức xạ Luminous intensity Cường độ sáng 2π Geometry 2π Dạng hình học 2π 4π Geometry 4π Dạng hình học 4π e Electron Điện tử Ec Bottom of the conduction band energy Năng lượng đáy vùng dẫn Ee Electron energy Năng lượng của điện tử EFn Fermi level of the semiconductor n Mức Fermi của bán dẫn n EFp Fermi level of the semiconductor p Mức Fermi của bán dẫn p Eg Band gap energy Độ rộng vùng cấm Eh Hole energy Năng lượng của lỗ trống Ev Top of the valence band energy Năng lượng đỉnh vùng hóa trị h Planck constant Hằng số Planck Foward current Dòng nuôi n Electron density Nồng độ điện tử Na Impurity density acceptor Nồng độ tạp chất acceptor Nc The effective density of states of the conduction band Nồng độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn Nd Impurity density donor Nồng độ tạp chất donor Nv The effective density of states of the valence band Nồng độ trạng thái hiệu dụng trong vùng hoá trị p Hole density Nồng độ lỗ trống Ra Color rendering index Hệ số hoàn màu Auger recombination rate Tốc độ tái hợp Auger If RAuger Rth j-a Thermal resistance from junction to to Nhiệt trở từ chuyển tiếp đến môi ambient trường 5 Ta Ambient temperature Nhiệt độ môi trường Tb Board temperature Nhiệt độ đế Tc Case temperature Nhiệt độ vỏ (hoặc điểm hàn đối với HPCOBLED) Tj Junction temperature Nhiệt độ chuyển tiếp Tsp Solder point temperature Nhiệt độ điểm hàn V Voltage Điện áp ν Frequency Tần số Radiant flux Thông lượng bức xạ Ω Solid angle Góc khối ( ) Spectral sensitivity of the human eye functions Hàm phổ độ nhạy mắt người e Danh mục các chữ viết tắt Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt 6 B CCT CGPM Blue Màu xanh da trời Correlated Color Temperature Nhiệt độ màu tương quan General Conference on Weights Hội nghị cân đo quốc tế and Measures International Commission on Illumination (Commission Internationale de LʹEclairge) Ủy ban quốc tế về chiếu sáng CMFs Color matching functions Hàm tổng hợp màu CNC Computerized Controlled Điều khiển bằng máy tính COB Chip On Board Chip tích hợp trên đế CRI Color Rendering Index Hệ số hoàn màu CT Color Temperature Nhiệt độ màu DC DC supply Nguồn điện DC DE Droop effect Hiệu ứng rơi EL Electroluminescence Điện huỳnh quang Electromagnetic Spectrum Phổ điện từ Green Màu xanh lá cây Goniophotometer Methhod Phương pháp đo quang thông sử dụng quang góc kế CIE EMS G GPM HPCOBLED Numerically High Power Chip On Board COBLED công suất cao Light Emitting Diode IR Infra Red Hồng ngoại IS Integrating Sphere Quả cầu tích phân ISPM Phương pháp đo quang thông sử Integrating Sphere Photometer dụng quả cầu tích phân kết hợp với Method quang kế chuẩn ISSM Integrating Sphere Spectroradiometer Method Phương pháp đo quang thông sử dụng quả cầu tích phân kết hợp với thiết bị đo phổ bức xạ ISSPM Integrating Sphere Spectroradiometer Photometer Phương pháp đo quang thông sử dụng quả cầu tích phân kết hợp với 7 K LED MOCVD Method thiết bị đo phổ bức xạ và quang kế chuẩn Kelvin Nhiệt độ Kelvin Light Emitting Diode Điôt phát quang Metal Organic Chemical Vapor Lắng đọng hóa học từ pha hơi hợp Deposition chất cơ kim NIST National Institute of Standards Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc and Technology (USA) gia (USA) NMIs National Metrology Instituties Các Viện Đo lường quốc gia Solid State Lighting Nguồn sáng rắn Red Màu đỏ TEC Thermo Electric Cooler Bộ làm lạnh UV Ultra Violet Tử ngoại SSL R Danh mục các bảng Bảng 1.1 Tóm tắt đặc trưng màu sắc của LED từ các vật liệu bán dẫn [49] ....................... 28 8 Bảng 2.1 Các đại lượng và đơn vị trong phép đo bức xạ và phép đo trắc quang [16]. ....... 37 Bảng 3.1 Các hóa chất sử dụng trong quy trình lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán ........... 63 Bảng 3.2 Tỉ lệ hợp phần dung dịch phun dùng lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán. ........... 64 Bảng 3.3 Các thông số công nghệ sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách phun.65 Bảng 3.4 Các thông số công nghệ sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của áp suất phun. ........ 67 Bảng 3.5 Các thông số công nghệ của lớp phủ phản xạ khuếch tán có chiều dày khác nhau.69 Bảng 3.6 Quang thông của đèn chuẩn phổ xác định trên hệ VMI-PR-001. ......................... 74 Bảng 3.7 Giá trị quang thông của đèn chuẩn phổ ở các thời điểm đo khác nhau................ 76 Bảng 3.8 Kết quả đo dòng quang đối với đèn chuẩn phổ (SCL-1400-E120). ..................... 78 Bảng 3.9 Kết quả đo dòng quang của HPCOBLED (216A, S/N: 033). .............................. 78 Bảng 3.10 Kết quả xác định quang thông của HPCOBLED (216A, S/N: 033). ................. 79 Bảng 3.11 Độ không đảm bảo đo phép hiệu chuẩn HPCOBLED. ...................................... 79 Bảng 4.1 Kết quả khảo sát sự phụ thuộc quang thông vào nhiệt độ Tc đối với HPCOBLED ............................................................................................................................. 90 Bảng 4.2 Giá trị quang thông của các HPCOBLED tính theo mô hình Mark (4.2). ........... 92 Bảng 4.3 Độ chênh lệch nhiệt độ (ΔT) của các HPCOBLED. ............................................ 97 Bảng 4.4 Sự suy giảm công suất của các HPCOBLED theo nhiệt độ Tc. .......................... 99 Bảng 4.5 Quang thông của các HPCOBLED trên hai đế tản nhiệt. .................................. 103 Bảng 4.6 Quang thông của các HPCOBLED tại nhiệt độ Tc=25 0C theo mô hình HPCOBLED. .................................................................................................... 104 Danh mục các hình vẽ và đồ thị 9 Hình 1.1 Quá trình phát triển LED [78]. ............................................................................. 16 Hình 1.2 Sự hình thành chuyển tiếp pn. .............................................................................. 17 Hình 1.3 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng nhiệt [25]. ........... 18 Hình 1. 4 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn phân cực thuận. .................................... 20 Hình 1. 5 Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp pn được làm từ các vật liệu bán dẫn khác nhau. 21 Hình 1. 6 Giản đồ năng lượng chuyển tiếp pn phân cực ngược. ......................................... 22 Hình 1.7 Tái hợp điện tử - lỗ trống [28]. ............................................................................. 23 Hình 1.8 Các quá trình tái hợp cặp điện tử và lỗ trống ....................................................... 24 Hình 1.9 Quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống trong mạng tinh thể [28] ........................ 25 Hình 1.10 Cấu trúc LED và sơ đồ tương đương.................................................................. 25 Hình 1.11 Quá trình tái hợp cặp điện tử - lỗ trống phát xạ photon ..................................... 26 Hình 1.12 Giản đồ biểu diễn các bước sóng của ánh sáng phát xạ trong khoảng bước sóng λ=(0,4 ÷ 1,7) m của các hợp chất AIIIBV[70]. ................................................... 27 Hình 1.13 Sơ đồ mô tả nguyên lý của phương pháp MOCVD [61]. ................................... 29 Hình 1.14 Đồ thị sự phụ thuộc thông lượng bức xạ vào dòng If [9]. ................................... 31 Hình 1.15 Đồ thị biểu diễn phân bố năng lượng điện tử và lỗ trống trong ........... 32 Hình 1.16 Cấu trúc của một HPCOBLED điển hình ........................................................... 33 Hình 1.17 Hình ảnh các sản phẩm đèn chiếu sáng được tạo ra từ HPCOBLED [39,45,46]. ............................................................................................................................. 34 Hình 2.1 Phổ bức xạ điện từ vùng khả kiến [42]. ................................................................ 35 Hình 2.2 Hàm độ nhạy của mắt người V(λ) ........................................................................ 35 Hình 2.3 Hàm tổng hợp của các hàm ( ), ( ), ( ) [16]................................................. 39 Hình 2.4 Hàm tổng hợp màu CIE 1931 [16]. ...................................................................... 40 Hình 2.5 Giản đồ tọa độ màu CIE 1931 [16]. ..................................................................... 40 Hình 2.6 Giản đồ nhiệt độ màu CIE 1931 [16]. .................................................................. 43 Hình 2.7 Giản đồ nhiệt độ màu tương quan trên hệ CIE 1960 [7,16]. ................................ 44 Hình 2.8 Đồ thị phân bố công suất của hai nguồn sáng chuẩn CIE [16]. ............................ 45 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp GPM. ............................................................. 47 Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý phương pháp ISSM.................................................................. 49 Hình 2. 11 Dạng hình học đo ............................................................................................... 50 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ISPM. .......................................................... 52 Hình 2.13 Dạng hình học đo................................................................................................ 52 Hình 3. 1 Sơ đồ khối hệ đo ISSPM. .................................................................................... 55 Hình 3.2 Vị trí và kích thước tấm chắn sáng 1 .................................................................... 57 10 Hình 3.3 Kích thước và vị trí tấm chắn sáng 2 .................................................................... 58 Hình 3.4 Kích thước và vị trí tấm chắn sáng 3 .................................................................... 58 Hình 3.5 Bản vẽ tổng thể quả cầu tích phân đường kính d = 1 m. ...................................... 59 Hình 3.6 Hàm phổ độ nhạy tương đối f1ʹ của quang kế chuẩn [62, 81]. ............................. 60 Hình 3.7 Bán cầu sau khi hoàn thành gia công cơ khí. ....................................................... 62 Hình 3.8 Phổ phản xạ khuếch tán với tỉ lệ hợp phần dung dịch phun khác nhau................ 64 Hình 3.9 Phổ phản xạ khuếch tán với khoảng cách phun khác nhau .................................. 66 Hình 3.10 Ảnh chụp hình thái bề mặt của lớp phủ với khoảng cách phun khác nhau ........ 67 Hình 3.11 Phổ phản xạ với áp suất phun khác nhau ............................................................ 68 Hình 3.12 Ảnh hình thái bề mặt của lớp phủ ở các áp suất phun khác nhau ....................... 69 Hình 3.13 Phổ phản xạ với chiều dày lớp phủ khác nhau ................................................... 70 Hình 3.14 Quy trình công nghệ lắng đọng lớp phủ phản xạ khuếch tán từ vật liệu BaSO4.71 Hình 3.15 Bán quả cầu tích phân sau khi lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán. .................... 71 Hình 3.16 Hệ đo VMI-PR-001 sau khi hoàn thành lắp đặt. ................................................ 72 Hình 3.17 Vị trí lắp đặt đèn chuẩn phổ bên trong quả cầu tích phân. ................................. 73 Hình 3.18 Kết quả hiệu chuẩn phổ công suất. ..................................................................... 74 Hình 3.19 Kết quả đánh giá độ ổn định hệ thống đo. .......................................................... 75 Hình 3.20 Ảnh HPCOBLED được gắn trên đế tản nhiệt TECMount 284. ......................... 77 Hình 3.21 Phổ công suất của HPCOBLED, (216A, S/N: 033). .......................................... 79 Hình 3.22 Đồ thị sự phụ thuộc của phổ công suất vào nhiệt độ và dòng If ......................... 82 Hình 3.23 Đo nhiệt độ Tc của HPCOBLED. ...................................................................... 82 Hình 3.24 Đồ thị phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ Tc tại các giá trị dòng If . ........ 83 Hình 3.25 Đồ thị phụ thuộc của công suất quang vào nhiệt độ Tc tại các giá trị dòng If. ... 83 Hình 3.26 Đồ thị phụ thuộc của điện áp theo nhiệt độ Tc tại các giá trị dòng If.................... 84 Hình 3.27 Đồ thị phụ thuộc của công suất tiêu tán vào nhiệt độ Tc tại các giá trị dòng If........... 85 Hình 3.28 Đồ thị phụ thuộc của hiệu suất phát quang ηv vào nhiệt độ Tc tại các giá trị If.. 85 Hình 3.29 Sự thay đổi tọa độ màu (x,y) theo nhiệt độ Tc. .................................................. 86 Hình 3. 30 Đồ thị phụ thuộc của nhiệt độ tương quan CCT(K) theo nhiệt độ Tc. ...................... 86 Hình 4.1 Cấu trúc của một LED rời rạc điển hình............................................................... 88 Hình 4.2 Các điểm nhiệt độ (a) và mô hình nhiệt trở của LED (b) ..................................... 89 Hình 4.3 Đồ thị phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ của các HPCOBLED ................ 91 Hình 4.4 Đồ thị sự phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ của các HPCOBLED xác định theo mô hình Mark (4.2). .................................................................................... 91 Hình 4.5 Sự suy giảm quang thông khi nhiệt độ tăng đối với các HPCOBLED................ 93 11 Hình 4.6 Ảnh phân bố nhiệt của các HPCOBLED tại Tc = 25 0C ...................................... 94 Hình 4.7 Phân bố nhiệt của các HPCOBLED tại Tc = 55 0C .............................................. 95 Hình 4.8 Phân bố nhiệt của các HPCOBLED tại Tc = 85 0C ............................................. 96 Hình 4.9 Sơ đồ mặt cắt ngang của một HPCOBLED.......................................................... 97 Hình 4.10 Sơ đồ tương đương (a) và mô hình nhiệt trở của HPCOBLED (b). ................... 98 Hình 4. 11 Đồ thị phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ của các HPCOBLED so sánh giữa giá trị thực nghiệm và giá trị tính theo mô hình HPCOBLED ................. 100 Hình 4. 12 Đồ thị so sánh kết quả thực nghiệm, kết quả theo mô hình HPCOBLED....... 101 Hình 4.13 Ảnh HPCOBLED gắn trên hai đế tản nhiệt...................................................... 103 Mở đầu Hiện nay, nhân loại đang đứng trước hai thách thức to lớn, đó là sự thiếu hụt năng lượng và quá trình biến đổi khí hậu toàn cầu. Cả hai thách thức này đều có cùng một nguyên nhân 12 là do nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng. Theo thống kê của Cơ quan năng lượng quốc tế (International Energy Agency-IEA), lượng điện năng tiêu thụ sử dụng trong chiếu sáng chiếm khoảng 20% tổng công suất điện tiêu thụ toàn thế giới và tương đương với lượng điện năng được cung cấp từ các nhà máy điện hạt nhân [41]. Đối với các nước đang phát triển, năng lượng điện tiêu thụ sử dụng trong chiếu sáng còn lớn hơn. Ở Việt Nam điện năng tiêu thụ trong chiếu sáng chiếm khoảng 25,3% tổng tiêu thụ điện năng và nhu cầu sẽ tăng nhanh hơn trong thời gian tới [3]. Để giải quyết các vấn đề này, một trong các biện pháp của các quốc gia trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đưa ra là tìm kiếm các nguồn năng lượng mới thân thiện với môi trường song song với các giải pháp tiết kiệm năng lượng, đặc biệt trong công nghệ chiếu sáng. Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, công nghệ chế tạo nguồn sáng rắn (Solid State Lighting - SSL) ngày càng phát triển cho phép nhận được các sản phẩm có công suất cao, quang thông lớn, hiệu suất phát quang cao và bề mặt phát sáng rộng [4,11,28,35,36,38,39,51,65,75]. Một trong những sản phẩm này là Chip on Board Light-Emitting Diode công suất cao (HPCOBLED) và hiện nay chúng được ứng dụng hết sức rộng rãi trong công nghệ chiếu sáng. So với các nguồn sáng truyền thống, HPCOBLED có hàng loạt các ưu điểm vượt trội như ánh sáng tạo ra có nhiều màu sắc, có hiệu suất phát quang cao, thời gian sống dài và đặc biệt thân thiện với môi trường. Có thể khẳng định rằng, trong tương lai các sản phẩm nguồn sáng rắn sẽ thay thế hoàn toàn các nguồn sáng truyền thống [17,27,30,39,45,46,52,66,69,73,76]. Để có thể kiểm soát chất lượng của LED, vấn đề quan tâm hàng đầu là độ chính xác của các phép đo trắc quang dùng để đánh giá các thông số của chúng. Tuy nhiên, các phép đo trắc quang đối với LED lại phụ thuộc rất nhiều vào các đặc trưng của LED như phổ công suất, phân bố cường độ sáng, quang thông,… Các thông số này lại dễ bị ảnh hưởng bởi chế độ làm việc của LED như dòng nuôi và nhiệt độ. Hơn nữa, HPCOBLED có tính chất quang điện phức tạp hơn so với LED, đặc biệt quang thông của HPCOBLED có sự suy giảm mạnh ở dòng nuôi If lớn và nhiệt độ cao [6,9,17,31,36,44,52,55,56,64,69,81,85-89]. Vì vậy, hiện nay các nhà khoa học đang tập trung phát triển các hệ đo, các phương pháp đo mới để nâng cao độ chính xác phép đo trắc quang đối với LED nói chung và HPCOBLED nói riêng. Hiện nay, trên thị trường ở Việt Nam có rất nhiều LED rời rạc và HPCOBLED được nhập khẩu từ các nhà sản xuất khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết các sản phẩm này, đặc biệt là các HPCOBLED đều chưa được đánh giá các thông số ban đầu. Có thể thấy, các nghiên cứu về LED chủ yếu tập trung ở các cơ sở khoa học và công nghệ như Trường Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Bách Khoa Hà Nội,Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các công ty sản xuất đèn,… Ở các cơ sở này, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào công nghệ chế tạo ra các linh kiện LED và các sản phẩm nguồn sáng rắn. Một thực tế hiện nay là, để tính toán thiết kế chế tạo các sản phẩm nguồn sáng rắn từ HPCOBLED, các dữ liệu ban đầu đều được lấy từ nhà sản suất công bố tại Tc = 25 0C và một trong các thông số đặc trưng của HPCOBLED được sử dụng để tính toán là đại lượng quang thông. Tuy nhiên, các sản phẩm được tạo ra từ HPCOBLED có kết quả không giống như cách tính toán đối với LED rời rạc. Điều này cho phép chúng ta nhận ra rằng có sự khác biệt lớn giữa LED rời rạc và HPCOBLED. Như vậy, có thể thấy rằng, một trong các vấn đề cần quan tâm nhất hiện nay trong lĩnh vực đo lường quang là cần phải có các phương pháp đo quang thông chính xác và khả năng xác định quang thông của COBLED ở các điều kiện thực. Đây cũng là cơ sở để chúng tôi lựa chọn nội dung nghiên cứu của bản luận án này. 13 Tên đề tài luận án: Nghiên cứu, phát triển phương pháp đo quang thông HPCOBLED (High Power Chip On Board Light Emitting Diode) và ứng dụng trong điều kiện thực. Mục đích nghiên cứu của luận án 1. Tổng quan về HPCOBLED và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng. 2. Nghiên cứu phát triển phương pháp đo quang thông của HPCOBLED có độ chính xác cao. 3. Xây dựng hệ đo quang thông của HPCOBLED có độ chính xác cao cho mục đích hiệu chuẩn, đo thử nghiệm (có độ không đảm bảo đo mở rộng U ≤ 3%, hệ số phủ k = 2 với mức tin cậy P = 95%). 4. Nghiên cứu tính chất quang điện của HPCOBLED trên hệ đo đã xây dựng. 5. Nghiên cứu phát triển mô hình HPCOBLED mô tả chính xác sự phụ thuộc quang thông của HPCOBLED vào nhiệt độ. 6. Nghiên cứu ứng dụng mô hình HPCOBLED để xác định quang thông của HPCOBLED trong điều kiện thực. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 1. Nghiên cứu phương pháp đo quang thông của HPCOBLED và xây dựng hệ đo có độ chính xác cao bao gồm:  Thiết kế, chế tạo quả cầu tích phân đường kính d = 1 m có cấu hình dạng hình học đo 2 và 4; lắng đọng lớp phủ có độ phản xạ khuếch tán cao sử dụng vật liệu BaSO4 lên trên bề mặt bên trong quả cầu tích phân.  Lựa chọn thiết bị ngoại vi, tích hợp các thiết bị ngoại vi, xây dựng phần mềm đo quang thông.  Đánh giá độ chính xác và độ ổn định hệ đo đã xây dựng. 2. Khảo sát ảnh hưởng của dòng nuôi If và nhiệt độ Tc đến tính chất quang điện của các HPCOBLED. 3. Nghiên cứu phát triển mô hình HPCOBLED nâng cao độ chính xác sự phụ thuộc của quang thông vào nhiệt độ Tc. 4. Nghiên cứu ứng dụng mô hình HPCOBLED trong điều kiện thực để xác định quang thông của HPCOBLED ở nhiệt độ Tc = 25 0C và nhiệt độ Tc bất kì. Phương pháp nghiên cứu Trong công trình này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với đoán nhận lí thuyết để phát triển mô hình HPCOBLED. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học  Phát triển phương pháp đo quang thông của HPCOBLED có độ chính xác cao (ISSPM) ở Việt Nam.  Hoàn thiện công nghệ lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán cho quả cầu tích phân.  Chế tạo thành công quả cầu tích phân có đường kính d = 1 m, có lớp phản xạ khuếch tán R ~ 98%, độ thăng giáng phản xạ ΔR ≤ 1,5% trong khoảng bước sóng λ = (380 ÷ 780) nm sử dụng trong hệ đo quang thông ở Việt Nam. 14  Xây dựng phát triển thành công hệ đo quang thông HPCOBLED có độ chính xác cao và phát triển phần mềm đo quang thông VMI_PRLab.  Nghiên cứu phát triển đưa ra mô hình HPCOBLED mô tả sự suy giảm quang thông của HPCOBLED khi nhiệt độ Tc tăng.  Đã nghiên cứu ứng dụng mô hình HPCOBLED để xác định giá trị quang thông của HPCOBLED tại Tc = 25 0C và ở nhiệt độ Tc bất kì trên hệ đo không sử dụng thiết bị ổn định nhiệt độ (Thermoelectric Cooler-TEC). Ý nghĩa thực tiễn  Xây dựng được phương pháp đo (ISSPM) để xác định quang thông của HPCOBLED ( hệ đo VMI-PR-001) với độ chính xác cao.  Khảo sát tính chất quang điện của HPCOBLED trên cơ sở phương pháp đo quang thông (ISSPM) và hệ đo VMI-PR-001.  Đã đưa mô hình HPCOBLED trong ứng dụng để xác định giá trị quang thông của HPCOBLED tại Tc = 25 0C và ở nhiệt độ Tc bất kì trên hệ đo VMI-PR-001 không sử dụng thiết bị ổn định nhiệt độ (TEC) trong điều kiện thực. Kết cấu của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt, danh mục các bảng, danh mục các hình vẽ, danh mục các công trình đã công bố của luận án, phụ lục và tài liệu tham khảo, nội dung luận án được trình bày trong bốn chương như sau: Chương 1 Tổng quan về HPCOBLED và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng Chương 2 Nghiên cứu các phương pháp đo quang thông của HPCOBLED Chương 3 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và xây dựng hệ đo quang thông của HPCOBLED Chương 4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông của HPCOBLED. Mô hình HPCOBLED. 15 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) Bức tranh về sự phát triển công nghệ LED so sánh với các nguồn sáng truyền thống được biểu diễn trên hình 1.1 dưới đây. 100 Đèn huỳnh quang Hiệu suất phát quang , lm/W Đèn compact Đèn sợi đốt 10 Đèn Thomas Edison 1 1965 0.1 1970 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Thời gian, năm Hình 1.1 Quá trình phát triển LED [78]. 1975 2010 Từ hình 1.1 có thể thấy, quá trình phát triển LED có các mốc phát triển quan trọng sau đây: Điôt phát quang (Lighting Emitting Diode - LED) được nghiên cứu phát triển trên cơ sở hiện tượng điện huỳnh quang (electroluminescence - EL) do H.J.Round phát hiện ra vào năm 1907 khi ông nghiên cứu vật liệu SiC [28,66,70,73]. Năm 1950, việc tìm ra các bán dẫn hợp chất nhóm AIII BV đã mở ra khả năng to lớn trong ứng dụng hiệu ứng quang điện trong công nghệ LED [25,26,28,73,82]. Năm 1962, lần đầu tiên các nhà khoa học đã chế tạo thành công LED có ánh sáng màu đỏ bằng phương pháp lắng đọng lớp bán dẫn GaAsP trên đế GaAs. Cùng trong thời gian này, N.Holonyak cũng nhận thấy, khi thay đế GaAs bằng GaP thì LED cho hiệu suất phát quang cao hơn [28]. LED thương mại đầu tiên ra đời vào nửa đầu thập kỷ 1960 và tiếp tục phát triển trong những thập kỷ 1970 và 1980 [28,33,65,70,73]. Năm 1992, Akasaki và cộng sự đã chế tạo thành công LED phát quang trong vùng UV và xanh da trời với hiệu suất đạt được khoảng ~ 1% trên cơ sở vật liệu GaN [51]. 16 Năm 1995, Nakamura đã chế tạo thành công LED phát quang màu xanh lá cây từ bán dẫn InGaN và đạt hiệu suất khoảng ~ 10% [66,75,77]. Có thể thấy, việc chế tạo thành công các LED phát ra các ánh sáng đỏ, xanh da trời và xanh lá cây đã bao phủ hầu hết phổ màu sắc mà mắt người có thể cảm nhận được. Cũng cần lưu ý rằng, sự phát triển của LED trên cơ sở vật liệu InGaN là tiền đề để chế tạo LED ánh sáng trắng. Thật vậy, năm 2006, giáo sư người Nhật Nakamura đã được nhận giải thưởng Công nghệ thiên niên kỷ (Millennium Technology) cho phát minh LED ánh sáng trắng [75,77]. Những năm gần đây, các hãng Cree Inc, Philips, Osram,… đã nghiên cứu và chế tạo thành công LED ánh sáng trắng có công suất cao lên đến P ~ 180 W, quang thông đạt Фv ~ 16000 lm và hiệu suất phát quang đạt lên đến v ~ 140 lm/W [39,45,48]. 1.2 Cơ sở vật lý của LED 1.2.1 Sự hình thành chuyển tiếp pn - chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng Một chuyển tiếp pn (còn gọi là chuyển tiếp điện tử - lỗ trống) sẽ hình thành nếu trong một tinh thể bán dẫn thuần nhất, bằng một phương pháp công nghệ nào đó, chúng ta nhận được hai miền bán dẫn, một miền pha tạp acceptor (miền p) và một miền tiếp xúc với nó pha tạp donor (miền n). Ranh giới tiếp xúc của hai miền này được gọi là tiếp xúc công nghệ hay là tiếp xúc luyện kim [5,8]. Thật vậy, hãy xem xét bức tranh hình thành một chuyển tiếp pn trên hình 1.2. Vùng điện tích không gian Điện tử Lỗ trống Bán dẫn n Bán dẫn p Tiếp xúc công nghệ Hình 1.2 Sự hình thành chuyển tiếp pn. Dễ dàng thấy rằng, miền p (có nhiều lỗ trống) tiếp xúc với miền n (có nhiều điện tử), sẽ dẫn đến ở vùng lân cận tiếp xúc công nghệ xuất hiện một chênh lệch nồng độ các hạt tải. Các lỗ trống sẽ khuếch tán từ miền p sang miền n và ngược lại, các điện tử sẽ khuếch tán từ miền n sang miền p. Quá trình khuếch tán này sẽ phá vỡ sự trung hòa về điện ở các miền trên và sự phá vỡ này sẽ xuất hiện ở gần tiếp xúc công nghệ. Kết quả là, ở miền p sẽ xuất hiện các nguyên tử bị ion hóa mang điện tích âm, còn ở miền n xuất hiện các nguyên tử bị ion hóa mang điện tích dương dẫn đến hình thành một vùng điện tích không gian ở hai phía tiếp xúc công nghệ. Hãy xét một chuyển tiếp pn lý tưởng, nghĩa là ở nhiệt độ ion hóa, các hạt dẫn cơ bản xuất hiện do sự ion hóa tạp chất. Vì vậy, có thể coi như nồng độ điện tử trong bán dẫn loại 17 n cân bằng nồng độ tạp chất donor và nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại p cân bằng nồng độ tạp chất acceptor. Như vậy, nồng độ của điện tử và lỗ trống hình thành được biểu diễn theo biểu thức sau [5,8,25]. n = Nd (1.1) p = Na (1.2) ở đây, Nd là nồng độ tạp chất donor và Na là nồng độ tạp chất acceptor. Ngoài các hạt dẫn cơ bản, trong bán dẫn tạp chất còn chứa các hạt dẫn thiểu số (các hạt dẫn không cơ bản), nói cách khác, trong bán dẫn loại n có chứa một số lỗ trống với nồng độ pn và trong bán dẫn loại p có chứa một số điện tử với nồng độ np. Nồng độ hạt tải trong một chất bán dẫn bất kỳ có thể được xác định từ định luật khối lượng hiệu dụng và được biểu diễn theo biểu thức sau [8,25]: (1.3) với ni là nồng độ hạt tải trong bán dẫn thuần tương ứng được xác định ở cùng một điều kiện nhiệt độ. Nếu nồng độ tạp chất Nd và Na bằng nhau thì hai miền điện tích không gian ở hai phía của tiếp xúc công nghệ sẽ có độ rộng bằng nhau, có trị số điện tích cân bằng và chúng tạo thành một vùng nghèo. Khi chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng, hình thành một điện thế còn gọi là thế khuếch tán Vbi và tương ứng với nó là hàng rào thế năng có giá trị bằng eVbi, trong đó e là điện tích. Sự hình thành vùng điện tích không gian lân cận tiếp xúc công nghệ sẽ làm xuất hiện một điện trường gọi là điện trường khuếch tán. Điện trường này có chiều chống lại quá trình khuếch tán của điện tử từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và của lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n. Dưới tác dụng của điện trường khuếch tán, mức năng lượng EFn của bán dẫn n hạ thấp xuống, còn mức năng lượng EFp của bán dẫn p dịch lên phía trên. Quá trình dịch chuyển các mức năng lượng này sẽ dừng lại khi mức năng lượng Fermi của bán dẫn p trùng với mức năng lượng Fermi của bán dẫn n. Kết quả là chúng ta có, giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở trạng thái cân bằng được biểu diễn như trên hình 1.3. n p Ec eVbi EFi Ec eFp EFp Ev EFn eFn EFi Ev diff Hình 1.3 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng nhiệt [25]. Từ hình 1.3, có thể xác định thế khuếch tán theo biểu thức sau: | | | | 18 (1.4) Ở nhiệt độ ion hóa, nồng độ điện tử trong bán dẫn n ở điều kiện cân bằng no được xác định theo biểu thức sau [25]: * ( ) + (1.5) với Nc là nồng độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn, EF là năng lượng Fermi, Ei là năng lượng Fermi của bán dẫn thuần, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ (Kelvin) Từ đây, chúng ta có thể xác định thế φFn trong bán dẫn loại n theo biểu thức sau [25]: (1.6) Thay biểu thức (1.6) vào biểu thức (1.5) có thể xác định được nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng trong bán dẫn loại n như sau: ( * ) + (1.7) được xác định theo biểu thức sau: Thay biểu thức (1.1) vào biểu thức (1.7), thế ( ) (1.8) Tương tự, trong bán dẫn loại p, nồng độ lỗ trống ở điều kiện cân bằng po được xác định theo biểu thức sau: * ( ) + (1.9) trong đó, Na là nồng độ tạp chất acceptor. và thế φFp trong vùng bán dẫn loại p được xác định theo biểu thức sau: (1.10) ( ) hay là: (1.11) Cuối cùng, thay biểu thức (1.8) và biểu thức (1.11) vào biểu thức (1.4), chúng ta có thể xác định được thế khuếch tán của một chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng: ( ) (1.12) Ở điều kiện cân bằng, liên hệ giữa chiều dày vùng điện tích không gian trong các vùng bán dẫn loại n và loại p được biểu diễn theo biểu thức sau [25]: (1.13) Từ các biểu thức (1.13) và (1.12), chúng ta có thể xác định được các chiều dày vùng điện tích không gian trong bán dẫn loại n và loại p của chuyển tiếp pn [25]: * + √ và √ (1.14) * + 19 (1.15) Dễ dàng thấy rằng, chiều dày vùng điện tích không gian của chuyển tiếp pn được xác định như là tổng các chiều dày vùng điện tích không gian trong bán dẫn loại n và loại p, hay là: L = Ln+Lp (1.16) Thay các biểu thức (1.14) và (1.15) vào biểu thức (1.16), chiều dày vùng điện tích không gian của chuyển tiếp pn được xác định theo biểu thức sau: √ * + (1.17) trong đó, ԑ là hằng số điện môi của bán dẫn. Hình 1.3, cũng cho thấy: eVbi - Eg  (EC - EF)  ( EF - EV) = 0 (1.18) Dễ dàng thấy rằng, trong trường hợp bán dẫn có nồng độ pha tạp cao sẽ dẫn đến chênh lệch các mức năng lượng EC, EV và mức Fermi trở nên không đáng kể so với năng lượng vùng cấm. Hay là EC - EF << Eg ở miền n và EF - EV << Eg ở miền p. Hay là, thế khuếch tán sẽ gần bằng năng lượng vùng cấm chia cho điện tích e. Thế khuếch tán này có thể được xem như là điện áp ngưỡng Vth và được xác định theo biểu thức sau [25]: Vbi ≈ Vth ≈ Eg /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 Khi đặt một điện áp Vf vào chuyển tiếp pn với cực dương đặt lên bán dẫn p và cực âm đặt lên bán dẫn n, ta nói rằng chuyển tiếp pn được phân cực thuận. Khi đó, điều kiện cân bằng của chuyển tiếp pn sẽ bị phá vỡ. Trong trường hợp này, điện áp V đặt vào sẽ suy giảm một đại lượng Vf và bằng (Vbi - Vf), tương ứng với chiều cao rào thế là e(Vbi - Vf). Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn ở điều kiện phân cực thuận được biểu diễn trên hình 1.4. n p Ec E(Vbi - Vf) EFi eVa Ec EFn EFi EFp Ev Ev diff Hình 1. 4 Giản đồ năng lượng của chuyển tiếp pn phân cực thuận. trong đó, diff là điện trường khuếch tán 20
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan