Bài giảng Nguồn sáng

ed 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). 
Aùnh 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 
E 
1 
E 
2 
h 
u 
( 
a 
) 
A 
b 
s 
o 
r 
p 
t 
i 
o 
n 
h 
u 
( 
b 
) 
S 
p 
o 
n 
t 
a 
n 
e 
o 
u 
s 
e 
m 
i 
s 
s 
i 
o 
n 
h 
u 
( 
c 
) 
S 
t 
i 
m 
u 
l 
a 
t 
e 
d 
e 
m 
i 
s 
s 
i 
o 
n 
I 
N 
h 
u 
O 
U 
T 
h 
u 
E 
2 
E 
2 
E 
1 
E 
1 
F 
i 
g 
. 
3 
. 
3 
7 
: 
A 
b 
s 
o 
r 
p 
t 
i 
o 
n 
, 
s 
p 
o 
n 
t 
a 
n 
e 
o 
u 
s 
e 
m 
i 
s 
s 
i 
o 
n 
a 
n 
d 
s 
t 
i 
m 
u 
l 
a 
t 
e 
d 
e 
m 
i 
s 
s 
i 
o 
n 
F 
r 
o 
m 
P 
r 
i 
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 
h 
u 
E 
1 
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 . 
W 
o 
W 
o 
Neutral 
n 
-region 
Neutral 
p 
-region 
x 
W 
H 
o 
l 
e 
s 
E 
l 
e 
c 
t 
r 
o 
n 
s 
D 
i 
f 
f 
u 
s 
i 
o 
n 
D 
r 
i 
f 
t 
x 
( 
a 
) 
( 
b 
) 
T 
h 
e 
r 
m 
a 
l 
l 
y 
g 
e 
n 
e 
r 
a 
t 
e 
d 
E 
H 
P 
p 
n 
o 
n 
p 
o 
V 
r 
E 
o 
+ 
E 
M 
i 
n 
o 
r 
i 
t 
y 
C 
a 
r 
r 
i 
e 
r 
C 
o 
n 
c 
e 
n 
t 
r 
a 
t 
i 
o 
n 
e 
( 
V 
o 
+ 
V 
r 
) 
e 
V 
o 
W 
( 
V 
= 
– 
V 
r 
) 
M 
H 
o 
l 
e 
P 
E 
( 
x 
) 
Reverse biased 
pn 
 junction. (a) Minority carrier profiles and the origin of the 
reverse current. (b) Hole 
PE 
 across the junction under reverse bias 
© 1999 S.O. Kasap , 
Optoelectronics 
(Prentice Hall) 
Homojunction leds 
CHUYỂN MỨC THẲNG – CHUYỂN MỨC NGHIÊNG 
Semiconductor Alloys 
Mixture of semiconductors:   GaAs and AlAs to form Al x Ga 1-x As (ternary alloy) with x the relative proportion of the group III-elements Ga and As in the alloy. 
 GaAs and InP to form Ga x In 1-x As y P 1-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 
Ơû đây I LED dòng của thiết bị , P LED,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 
photons “out” 
electrons “in” 
optical power 
electrical power 
This is LED wall plug efficiency 
Basic LED design: 
substrate 
n 
p 
 c 
n 1 
n 2 
top contact (+) 
bottom contact (+) 
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={(n 2 -n 1 )/(n 2 +n 1 )} Đối với LED GaAs , nếu ta chọn n 2 = 3,66 , n 1 = 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=17 o 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: q c = 25.7 o 
Sapphire (n = 1.75) / air interface: q c = 34.8 o 
q c 
n out 
n s 
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 % 
n out 
n s 
q c 
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 
air 
epoxy 
(n = 1.5) 
GaN q c 
25.7 o 
40.7 o 
GaN T  
84.5 % 
95.6 % 
GaN h esc 
4.2 % 
11.5 % 
sapphire q c 
34.8 o 
59 o 
sapphire T  
92.6 % 
99.4 % 
sapphire h esc 
8.3 % 
24.1 % 
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 h n are not absorbed in wide bandgap layers, and so the recombination does not have to be near the surface 
With sufficient  E c , 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 confinementin same spatial region of device 
dramatically increased quantum and wall-plug efficiency 
p -AlGaAs p -GaAs n -AlGaAs 
electrons 
holes 
CB 
VB 
Spectral width of LED types 
Optical Fiber communications, 3 rd 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 
“LED” 
mirror 1 
mirror 2 
coherent light, “one” wavelength 
R=0.99 
R=0.90 
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 
N 2 
N 1 
Requirement: 	 population inversion 	N 2 >N 1 
	mirrors used to “re-cycle” 	photons” 
Requirement: 	 <0 
Gas laser (two-level system): 
Semiconductor lasers (electronic bands): 
“ - ” is called “ gain” 
Light amplification: I(x)=I 0 exp(-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. 
Threshold current 
Spontaneous 
emission 
Laser action 
With stimulated 
emission 
Forward bias current 
Wavelength 
Spontaneous 
emission 
Laser action 
With stimulated 
emission 
Light Intensity 
(a) 
(b)