LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n. Với kết cấu gọn nhẹ, linh hoạt, tính thẫm mỹ cao, sản phẩm đa dạng phong phú nên đèn LED được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: quảng cáo, trang trí, chiếu sáng nội ngoại thất, chiếu sáng nền…
1. Hoạt động
Đèn LED hoạt động giống với nhiều loại điốt bán dẫn. Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
2. Chiết suất
Hầu hết các vật liệu làm LED có chiết suất rất cao, tức là hầu hết ánh sáng phát ra sẽ quay ngược vào bên trong thay vì phát ra ngoài không khí. Do đó công nghệ trích xuất ánh sáng từ LED cũng rất quan trọng, cần rất nhiều sự nghiên cứu và phát triển.
Các chất bán dẫn như SiO2 có chiết suất rất cao khi chưa có lớp tráng phủ. Điều này sẽ ngăn cản phô ton đi ra khỏi chất bán dẫn. Đặc điểm này ảnh hưởng đến hiệu suất LED và tế bào quang điện. Chiết suất của SiO2 là 3.96(590 nm), còn không khí là 1.0002926.
Hình dáng lý tưởng cho phép tối đa phát sáng là dạng vi cầu, là các hình cầu có kích thước siêu nhỏ từ 1 μm đến 1000 μm. Ánh sáng sẽ phát ra từ điểm trung tâm và điện cực cũng phải chạm điểm trung tâm. Tất cả ánh sáng phát ra sẽ vuông góc toàn bộ bề mặt quả cầu , do đó sẽ không có phản xạ. Bán cầu cũng có thể cho kết quả tương tự nếu mặt lưng hoàn toàn phẳng để phản xạ hoàn toàn các tia phát về phía mặt lưng.
3. Lớp tráng phủ
Đèn LED được bọc bằng 1 vỏ nhựa màu hoặc trong suốt để khi hàn LED vào bảng mạch sẽ dễ hơn, bảo vệ dây dẫn bên trong và gia tăng khả năng phát sáng của LED vì nó sẽ như 1 thấu kính phân kỳ, cho phép ánh sáng có góc tới cao hơn góc tới hạn có thể lọt ra ngoài không khí.
4. Hiệu suất và các thông số hoạt động
LED dùng làm chỉ thị có công suất chỉ cỡ 30-60 mili oát. Năm 1999, Philips Lumileds giới thiệu LED có thể hoạt động liên tục với công suất 1W. Nó dùng 1 đế bán dẫn lớn hơn rất nhiều so với LED chỉ thị. Thêm nữa là có bộ phận tản nhiệt bằng kim loại.
Một trong những ưu điểm của LED là có hiệu suất chiếu sáng cao. LED trắng nhanh chóng bắt kịp và vượt qua hiệu suất của đèn dây tóc. Năm 2002, Lumileds chế tạo thành công LED 5W với hiệu suất chiếu sáng từ 18-22 lumen/oát. Để so sánh, đèn dây tóc 60-100W có hiệu suất cỡ 15lm/W, còn đèn huỳnh quang tốt thì 100lm/W. Một vấn đề khá cũ là hiệu suất giảm nhanh khi tăng dòng quaLED
Tháng 9 năm 2003, một loại LED xanh da trời được công ty Cree giới thiệu phát ra 24 mW với dòng điện là 20mA. Điều này có nghĩa là 1 bóng LED trắng sẽ có 65lm/W với dòng 20mA. Đây chính là LED trắng có hiệu suất cao nhất thời đó, hơn 4 lần so với đèn dây tóc.
Năm 2006, họ giới thiệu sản phẩm mẫu đạt kỷ lục mới cho hiệu suất của LED trắng là 131lm/W với dòng điện 20mA. Năm này, công ty Nichia Corporation giới thiệu LED trắng với hiệu suất 150lm/W cũng với dòng điện 20mA.
Năm 2011, Xlamp XM-L , 1 dòng sản phẩm của hãng Cree phát ra 100lm/W với công suất 10W, hiệu suất là 160lm/W nếu công suất là 2W.
Năm 2012, Cree giới thiệu LED trắng hiệu suất 254lm/W. Trong thực tế, LED chiếu sáng có công suất từ 1W trở lên, dòng tiêu thụ điển hình là 350mA.
Tháng 3 năm 2012, cree tuyên bố LED mẫu đã đạt được 208lm/W với nhiệt độ phòng, nhiệt độ màu là 4579K.
5. Tuổi thọ của đèn LED
Bán dẫn nói chung và LED nói riêng rất bền khi dòng tiêu thụ nhỏ và ở nhiệt độ thấp. Nhiều LED sản xuất năm 1970-1980 vẫn còn cho tới ngày nay. Tuổi thọ thường là 25.000 cho đến 100.000 giờ nhưng nhiệt độ cao và dòng tiêu thụ cao thì tuổi thọ sẽ giảm nhanh chóng.
Đèn LED cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Hầu hết các nhà sản xuất đều công bố thông số cho nhiệt độ phòng 25°C. LED ngoài trời như đèn giao thông hoặc chiếu sáng công cộng nơi có nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao có thể giảm độ sáng hoặc có thể làm hư hỏng LED.
LED tăng độ sáng ở nhiệt độ thấp tùy loại cụ thể, thường là -30°C. Do đó LED có thể là sự lựa chọn tốt để chiếu sáng ở kho lạnh của siêu thị và tuổi thọ sẽ cao hơn các loại đèn khác. Vì LED ít phát nhiệt hơn đèn dây tóc nên sẽ có hiệu suất cao hơn ở những nơi dùng máy lạnh. Tuy nhiên cũng vì ít phát ra hơi nóng nên LED có thể không dùng được ở những nơi có tuyết rơi dày. Để giải quyết vấn đề này, người ta có thể thêm một mạch điện tạo sức nóng. Thêm nữa, một nghiên cứu vừa thành công tạo ra 1 loại tản nhiệt truyền nhiệt vào khu vực thích hợp bên trong đèn LED.
