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.
Nói chung, chỉ có những phô ton vuông góc với mặt bán dẫn hoặc góc tới cỡ vài độ thì mới có thể thoát ra ngoài. Những phô ton này sẽ tạo thành 1 chùm sáng dưới dạng hình nón. Những phô ton không thể thoát ra ngoài sẽ chui ngược vào bên trong chất bán dẫn.
Những phô ton phản xạ toàn phần có thể thoát ra ngoài qua các mặt khác của chất bán dẫn nếu góc tới đủ nhỏ và chất bán dẫn đủ trong suốt để không tiếp nhận hoàn toàn các phô ton. Tuy nhiên, với LED đều vuông góc ở toàn bộ các mặt thì ánh sáng hoàn toàn không thể thoát ra và sẽ biến thành nhiệt làm nóng chất bán dẫn.
hình dạng 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 trọng điểm và điện cực cũng phải chạm điểm trung tâm. toàn bộ ánh sáng phát ra sẽ vuông góc tuốt bề mặt quả cầu, do đó sẽ không có phản xạ. Bán cầu cũng có thể cho kết quả hao hao nếu mặt lưng hoàn toàn phẳng để phản xạ hoàn toàn các tia phát về phía mặt lưng.
đèn led hg Hiện tượng biến điện thành ánh sáng được H. J. Round phát hiện trước tiên vào năm 1907 ở phòng thí điểm Marconi. Ông đã dùng 1 dây dẫn và tinh thể Silic các-bua(SiC). Oleg Vladimirovich Losev, nhà nghiên cứu người Nga công bố lần trước nhất đã tạo ra LED trên tùng san khoa học Nga, Đức và Anh. Tuy nhiên không có thực tiễn hóa trong mấy thập kỷ kế tiếp. Rubin Braunstein, công ty Radio Corporation of America, phát hiện có bức xạ hồng ngoại trên hợp chất GaAs và các hợp chất khác vào năm 1955. Braunstein đã thử nghiệm trên các điốt GaSb, GaAs, indium phosphide (InP), và silicon-germanium (SiGe) ở nhiệt độ phòng và ở 77 độ K.
Năm 1961, các nhà thí điểm người Mỹ Robert Biard và Gary Pittman, làm việc ở Texas Instruments, cũng phát hiện GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện chạy qua và đã nhận bằng phát minh LED hồng ngoại.
LED trước hết phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy là loại LED đỏ, do Nick Holonyak, Jr. phát hiện, vào năm 1962 khi đang làm việc cho General Electric Company. Holonyak đã bẩm hiện tượng này trong lá thư anh gởi cho tạp chí Applied Physics Letters vào ngày 01-12-1962. Holonyak được xem là cha đẻ của LED. M. George Craford, một sinh viên tốt nghiệp trước Holonyak, đã phát minh ra LED vàng trước nhất và đã cải thiện thêm độ sáng lên 10 lần cho LED đỏ cũng như LED đỏ-cam vào năm 1972. Vào năm 1976, T. P. Pearsall lần trước hết đã tạo ra LED công suất cao, hiệu suất cao cho cáp quang nhờ vào việc sáng chế ra nguyên liệu bán dẫn mới có khả năng phát ra sóng điện từ hợp cho cáp quang
Hoạt động của LED 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 khuynh 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 dôi điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và thừa lỗ trống).
Ở biên cương hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống lôi cuốn 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).
Hầu hết các nguyên liệu làm LED có chiết suất rất cao, tức thị hồ 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.
LED xanh da trời làm từ InGaN được phát minh trước tiên do Shuji Nakamura của công ty Nichia Corporation vào năm 1994. Hai kỹ thuật then chốt là cấy GaN trên lớp nền Saphia và tạo lớp bán dẫn P từ GaN(do Isamu Akasaki và H. Amano phát triển ở Nagoya). Năm 1995, Alberto Barbieri tại phòng thí điểm ĐH Cardiff đã nghiên cứu và giới thiệu LED "xúc tiếp trong" có công suất, hiệu suất cao bằng cách dùng Indi thiếc ôxít. Sự ra đời của LED xanh da trời cộng với LED hiệu suất cao chóng vánh dẫn đến sự ra đời LED trắng trước nhất dùng Y3Al5O12:Ce. Hợp chất này có tên khác là YAG, là lớp phủ để trộn ánh sáng vàng với ánh sáng xanh da trời cho ra ánh sáng trắng. Năm 2006, Nakamura được trao giải thưởng công nghệ thiên niên kỷ cho phát minh này.
Hiệu suất, công suất của LED tăng theo hàm mũ, gấp đôi sau mỗi 3 năm kể từ năm 1960, tương tự như định luật Moore. Sự phát triển LED nói chung đã đóng góp cho sự phát triển đồng thời giữa các công nghệ bán dẫn, khoa học nguyên liệu và quang học. Người ta đã đặt tên nó là định luật Haitz, lấy từ tên của tấn sĩ Roland Haitz.
Năm 2001 và 2002, quy trình cấy GaN lên chất nền SiO2 được hiện thực. Tháng 1 năm 2012, LED công suất lớn theo công nghệ này được thương mại hóa. Tin đồn là dùng tấm đế SiO2 6inch(15.24 cm) thay vì tấm đế Saphia(Nhôm ôxít) 2inch(5.08 cm) sẽ làm giảm 90% giá thành.
Tùy theo mức năng lượng phóng thích cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn.
Loại LED Điện thế phân cực thuận
Đỏ 1,4 - 1,8V
Vàng 2 - 2,5V
Xanh lá cây 2 - 2,8V
LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thường ngày, trong khoảng 1,5 đến 3 V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do đó, LED rất dễ bị hư do điện thế ngược gây ra.
Rất nhiều LED được bọc bằng 1 vỏ nhựa màu hoặc trong vì 3 mục đích
hàn LED vào bảng mạch sẽ dễ hơn.
dây dẫn bên trong LED rất mỏng sẽ được bảo vệ tốt hơn.
lớp nhựa sẽ đóng vai trò như là môi trường trung gian. Chiết suất của vỏ nhựa sẽ thấp hơn chiết suất bán dẫn nhưng cao hơn không khí
Lý do thứ ba sẽ 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.
LED trước hết được thương nghiệp hóa để thay thế cho đèn chỉ thị làm bằng đèn dây tóc, nê-on và màn hình bảy đoạn. trước tiên là các thiết bị mắc tiền trong phòng thử nghiệm. Sau đó là tivi, rađiô, điện thoại, máy tính và thậm chí là đồng hồ. Đến năm 1968, LED phứa mắc, cỡ 200 đôla Mỹ mà lại ít ứng dụng. Năm 1968, Công ty Monsanto là công ty đầu tiên sinh sản LED hàng loạt dùng gali asen phốt pho (GaAsP). Năm này, Hewlett Packard cũng giới thiệu LED làm từ GaAsP do công ty Monsanto cung cấp. Các LED này là LED đỏ và có thấu kính nhựa đi kèm trên từng chữ số để có thể dùng trong màn hình máy tính và chỉ đủ sáng để làm đèn chỉ thị. thời kì sau đó thì LED vàng, cam.. cũng trở thành phổ biến. Năm 1970, LED thật sự đã được thương nghiệp hóa thành công khi công ty Fairchild Semiconductor bán ra thị trường 5 xu Mỹ cho mỗi bóng LED. Công ty này đã sinh sản bằng quy trình Planar do tấn sĩ Jean Hoerni phát minh khi làm việc cho họ. Sự phối hợp giữa quy trình Planar và các phương pháp đóng gói giúp nhóm trưởng Thomas Brandt của công ty Fairchild đã có được khả năng giảm thiểu giá thành cấp thiết. Các phương pháp này vẫn được các công ty dùng để sinh sản LED giờ.
màn hình LED của máy tính cầm tay TI-30 (ca. 1978), sử dụng thấu kính để có thể nhìn thấy các chữ số
đèn led fixed gear Ngành công nghệ nguyên liệu cho LED đã phát triển càng ngày càng mạnh mẽ. Công suất ngày một tăng nhưng hiệu suất, độ tin cậy vẫn đạt được mức có thể ưng ý. Việc phát minh và phát triển LED trắng công suất cao mau chóng thay thế đèn dây tóc, đèn huỳnh quang. LED ngày này phần đông là cỡ 5mm T1¾ và 3mm T1. Tuy nhiên, thiên hướng công suất càng ngày càng lớn nên các kiểu đóng gói khác cũng được phát triển để đáp ứng yêu cầu tỏa nhiệt. LED công suất cao hiện tại cấu trúc bên trong rất phức tạp nhưng ngoài mặt thì như các LED thời ban đầu.
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 chóng vánh.
Dạng hỏng hóc chung của LED(và điốt la-de) là sẽ dần giảm độ sáng, hiệu suất. hỏng hóc đột ngột dù hiếm nhưng cũng xảy ra. Các LED đỏ thời gian đầu tuổi thọ khá ngắn. Với sự phát triển LED công suất cao, LED hiện đại phải chịu nhiệt độ cao hơn, dòng tải cao hơn ngày xưa. Điều này có thể làm giảm tuổi thọ nhanh chóng. Để phân loại LED theo tuổi thọ, người đưa ra khái niệm L70 và L50, tức thị thời kì để hiệu suất chiếu sáng còn 70% và 50%.
Như các loại đèn khác, LED cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Hầu hết các nhà sinh sản đều ban 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 LED.
LED tăng độ sáng ở nhiệt độ thấp tùy loại cụ thể, thường là -30 °C. Do đó LED có thể là sự chọn lọc 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 một loại tản nhiệt truyền nhiệt vào khu vực hợp bên trong đèn LED.
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 chóng vánh bắt kịp và vượt qua hiệu suất của đèn dây tóc.
Năm 2002, Lumileds chế tác 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 qua LED
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 tức là 1 bóng LED trắng sẽ có 65lm/W với dòng 20mA. Đây chính là LED trắng có hiệu suất cao tạm 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 tại, LED chiếu sáng có công suất từ 1W trở lên, dòng tiêu thụ điển hình là 350mA.
để ý là hiệu suất nói trên chỉ tính riêng cho LED và dưới môi trường nhiệt độ thấp trong phòng thí nghiệm. Trên thực tế, nhiệt độ cao và mạch nguồn cho LED cũng có thất thoát năng lượng nên hiệu suất thấp hơn nhiều.
Tháng 3 năm 2012, cree tuyên bố LED mẫu đã đạt được 208lm/W với nhiệt độ phòng, nhiệt độ màu là 4579K.
đèn led là j LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có tức thị 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.
