Come Funziona un LED

Come funziona un LED?

Definizione di LED

Un LED, o Diodo Emissore di Luce, è definito come un dispositivo semiconduttore che emette luce quando viene alimentato elettricamente attraverso un processo chiamato elettroluminescenza.

Come funziona un LED

Come un diodo ordinario, il diodo LED funziona quando è polarizzato in avanti. In questo caso, il semiconduttore di tipo n è dopato più intensamente rispetto a quello di tipo p, formando la giunzione p-n. Quando è polarizzato in avanti, la barriera di potenziale si riduce e gli elettroni e i buchi si combinano nella zona di deplezione (o zona attiva), emettendo o irradiando luce o fotoni in tutte le direzioni. La figura tipica qui sotto mostra l'emissione di luce dovuta alla combinazione di coppie elettrone-buco durante la polarizzazione in avanti.

L'emissione di fotoni in un LED è spiegata dalla teoria delle bande di energia dei solidi, che stabilisce che l'emissione di luce dipende dal fatto che il divario di banda del materiale sia diretto o indiretto. I materiali semiconduttori che hanno un divario di banda diretto sono quelli che emettono fotoni. In un materiale con divario di banda diretto, il fondo della banda di conduzione si trova direttamente sopra il livello più alto di energia della banda di valenza nel diagramma Energia vs Momento (vettore d'onda 'k').

Quando gli elettroni e i buchi si ricombinano, l'energia E = hν corrispondente al divario di energia △ (eV) viene rilasciata sotto forma di energia luminosa o fotoni, dove h è la costante di Planck e ν è la frequenza della luce.

Divario di banda diretto

I materiali con divario di banda indiretto non sono radiativi, poiché il fondo della banda di conduzione non si allinea con il top della banda di valenza, convertendo la maggior parte dell'energia in calore. Esempi sono Si, Ge, ecc.

Divario di banda indiretto

Un esempio di materiale con divario di banda diretto è l'Arsenuro di Gallio (GaAs), un semiconduttore composto utilizzato nei LED. Atomi di dopante vengono aggiunti al GaAs per ottenere una vasta gamma di colori. Alcuni dei materiali utilizzati nei LED sono:

• Arsenuro di Gallio e Alluminio (AlGaAs) – infrarosso.

• Fosfuro di Arsenico e Gallio (GaAsP) – rosso, arancione, giallo.

• Fosfuro di Gallio e Alluminio (AlGaP) – verde.

• Nitruro di Indio e Gallio (InGaN) – blu, blu-verde, UV vicino.

• Seleniuro di Zinco (ZnSe) – blu.

Struttura fisica del LED

Il LED è strutturato in modo tale che la luce emessa non venga riassorbita dal materiale. Quindi, si assicura che la ricombinazione elettrone-buco avvenga sulla superficie.

La figura sopra mostra due modi diversi per strutturare la giunzione p-n del LED. Il strato di tipo p è reso sottile e cresciuto sul substrato di tipo n. Elettrodi metallici collegati su entrambi i lati della giunzione p-n servono come nodi per la connessione elettrica esterna. La giunzione p-n del LED è racchiusa in un involucro trasparente a forma di cupola in modo che la luce venga emessa uniformemente in tutte le direzioni e si verifichi il minimo riflesso interno.

La gamba più grande del LED rappresenta l'elettrodo positivo o anodo.

Sono disponibili anche LED con più di 2 gambe, come configurazioni a 3, 4 e 6 pin per ottenere multi-colori nello stesso pacchetto LED. Sono disponibili display LED da montaggio superficiale che possono essere montati sui PCB.

I LED richiedono tipicamente una corrente di poche decine di milliampère e necessitano di una resistenza elevata in serie a causa della loro caduta di tensione in avanti più alta, compresa tra 1,5 e 3,5 volt, rispetto ai diodi ordinari.

LED bianchi o lampade LED bianche

Le lampade, le lampadine e l'illuminazione stradale a LED stanno diventando molto popolari oggi a causa dell'efficienza molto elevata dei LED in termini di output luminoso per unità di potenza di input (in milliWatt), rispetto alle lampadine a incandescenza. Pertanto, per l'illuminazione generale, la luce bianca è preferita. Per produrre luce bianca con l'aiuto dei LED, vengono utilizzati due metodi:

Miscelazione dei tre colori primari RGB per produrre luce bianca. Questo metodo ha un'alta efficienza quantistica.

L'altro metodo consiste nel rivestire un LED di un colore con fosforo di un colore diverso per produrre luce bianca. Questo metodo è commercialmente popolare per la produzione di lampadine e illuminazioni LED.

Applicazioni dei LED

Display elettronici come OLED, micro-LED, punti quantistici, ecc.

• Come indicatore LED.

• Nei telecomandi.

• Illuminazione.

• Opto-isolatori.