Cosa è un LED?
Cos'è un LED?
Definizione di LED
Un Diodo Emettitore di Luce (LED) è un dispositivo a semiconduttore che emette luce quando attraverso di esso scorre una corrente elettrica.Le tecnologie LED più vecchie utilizzavano arseniuro di gallio fosforato (GaAsP), fosfuro di gallio (GaP) e arseniuro di alluminio e gallio (AlGaAs).I LED producono luce visibile attraverso l'effetto elettroluminescente, che si verifica quando una corrente continua passa attraverso un cristallo dopato con una giunzione PN.
Il doping comporta l'aggiunta di elementi delle colonne III e V della tavola periodica. Quando energizzato da una corrente polarizzata in avanti (IF), la giunzione p-n emette luce ad una lunghezza d'onda determinata dallo scarto energetico della regione attiva (Eg).
Funzionamento del Diodo Emettitore di Luce (LED)
Quando la corrente polarizzata in avanti IF viene applicata alla giunzione p-n del diodo, i portatori minoritari elettroni vengono iniettati nella regione p e i corrispondenti portatori minoritari elettroni vengono iniettati nella regione n. L'emissione di fotoni avviene a causa della ricombinazione elettrone-buco nella regione p.
Le transizioni di energia degli elettroni attraverso lo scarto energetico, chiamate ricombinazioni radiative, producono fotoni (cioè, luce), mentre le transizioni di energia parallele, chiamate ricombinazioni non radiative, producono fononi (cioè, calore). Le efficacie luminose tipiche dei LED AlInGaP e InGaN per diverse lunghezze d'onda di picco sono mostrate nella tabella sottostante.
L'efficacia dei LED è influenzata dalla luce generata alla giunzione e dalle perdite dovute alla riassorbimento mentre la luce esce dal cristallo. A causa dell'indice di rifrazione elevato di molti semiconduttori, gran parte della luce viene riflessa nuovamente nel cristallo, riducendone l'intensità prima che possa uscire. L'efficacia espressa in termini di questa energia visibile misurabile finale è chiamata efficacia esterna.
Il fenomeno dell'elettroluminescenza è stato osservato nel 1923 in giunzioni naturali, ma era impraticabile al tempo a causa della sua bassa efficacia luminosa nel convertire l'energia elettrica in luce. Tuttavia, oggi l'efficacia è aumentata notevolmente e i LED sono utilizzati non solo nei segnali, indicatori, insegne e display, ma anche nelle applicazioni di illuminazione interna e stradale.
Colore di un LED
Il colore di un dispositivo LED è espresso in termini della lunghezza d'onda dominante emessa, λd (in nm). I LED AlInGaP producono i colori rosso (626 a 630 nm), rosso-arancio (615 a 621 nm), arancio (605 nm) e ambra (590 a 592 nm). I LED InGaN producono i colori verde (525 nm), verde-blu (498 a 505 nm) e blu (470 nm). Il colore e la tensione in avanti dei LED AlInGaP dipendono dalla temperatura della giunzione p-n del LED.
Aumentando la temperatura della giunzione p-n del LED, l'intensità luminosa diminuisce, la lunghezza d'onda dominante si sposta verso lunghezze d'onda più lunghe e la tensione in avanti diminuisce. La variazione dell'intensità luminosa dei LED InGaN con la temperatura ambiente operativa è piccola (circa il 10%) da − 20°C a 80°C. Tuttavia, la lunghezza d'onda dominante dei LED InGaN varia con la corrente di pilotaggio del LED; man mano che la corrente di pilotaggio del LED aumenta, la lunghezza d'onda dominante si sposta verso lunghezze d'onda più corte.
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Dimmerizzazione
I LED possono essere dimmerizzati per fornire il 10% della loro intensità luminosa nominale riducendo la corrente di pilotaggio. I LED sono generalmente dimmerizzati utilizzando tecniche di Modulazione della Larghezza di Impulso (PWM).
Affidabilità
La temperatura massima della giunzione (TJMAX) è cruciale per la longevità di un LED. Superare questa temperatura solitamente danneggia il dispositivo encapsulato. La durata di vita di un LED è misurata dal Tempo Medio tra Guasti (MTBF), calcolato testando numerosi LED a una corrente e temperatura standard fino a quando metà di essi falliscono.
LED bianchi
I LED bianchi vengono prodotti ora utilizzando due metodi: nel primo metodo, chip LED rossi, verdi e blu vengono combinati nello stesso pacchetto per produrre luce bianca; nel secondo metodo, viene utilizzata la fosforescenza. La fluorescenza nel fosforo che è encapsulato nell'epossidica intorno al chip LED viene attivata dall'energia a breve lunghezza d'onda proveniente dal dispositivo LED InGaN.
Efficacia luminosa
L'efficacia luminosa di un LED è definita come il flusso luminoso emesso (in lm) per unità di potenza elettrica consumata (in W). I LED blu hanno un'efficacia interna nominale dell'ordine di 75 lm/W; i LED rossi, circa 155 lm/W; e i LED ambra, 500 lm/W. Considerando le perdite dovute al riassorbimento interno, l'efficacia luminosa è dell'ordine di 20-25 lm/W per i LED ambra e verdi. Questa definizione di efficacia è chiamata efficacia esterna ed è analoga alla definizione di efficacia tipicamente utilizzata per altri tipi di sorgenti luminose.
