I LED costituiscono una parte inevitabile nell’elettronica moderna come semplici indicatori per dispositivi di comunicazione ottica, ma anche come vera e propria fonte di illuminazione . I diodi a emissione di luce sfruttano la proprietà della giunzione p-n per emettere fotoni quando è polarizzata in avanti. I LED sono diodi appositamente realizzati per emettere luce quando viene applicato un potenziale al suo anodo e catodo. Ma andiamo più nello specifico e vediamo come funzionano.
Breve storia dei LED
La storia dei LED risale al 1907 quando il capitano Henry Joseph osservò la proprietà dell’elettroluminescenza nel carburo di silicio. Il primo LED è stato progettato nel 1962. È stato sviluppato da Holonyak e ha lavorato presso General Electric (GE). Era un dispositivo GaAsP. La prima versione commerciale di LED è arrivata sul mercato negli anni ’60.
L’industria della tecnologia LED è diventata un boom negli anni ’70 con l’introduzione dell’arseniuro di gallio e alluminio (GaAlAs). Questi LED sono tipi ad alta luminosità e sono molte volte più luminosi dei vecchi tipi diffusi. I LED blu e bianchi sono stati introdotti nel 1990 e utilizzano il nitruro di gallio indio (InGaN) come semiconduttore. Il LED bianco contiene un chip blu con fosforo inorganico bianco. Quando la luce blu colpisce il fosforo, emette luce bianca.
Cos’è un diodo e come funziona?
Per capire i LED, dobbiamo prima affrontare i diodi. I diodi sono dispositivi che consentono alla corrente di fluire in una sola direzione, cosa che realizzano attraverso un processo chiamato “doping” di un semiconduttore. Questo processo di drogaggio aggiunge impurità a un materiale per lo più inerte (in termini di conducibilità), modificando il bilancio elettronico e creando la possibilità di flusso di elettroni. Mettendo insieme due versioni di un semiconduttore drogato si stabilisce un flusso unidirezionale:
- Semiconduttore di tipo N: contiene elettroni extra (tipo N) e uno con impurità extra dove gli elettroni possono andare.
- Semiconduttore di tipo P: contiene impurità extra attraverso le quali gli elettroni possono viaggiare.
Tuttavia, il dispositivo rimane inerte al di sotto di una certa soglia di tensione. Senza tensione costante, si forma uno spazio neutro chiamato zona di esaurimento tra le aree di tipo N e di tipo P. Per far muovere gli elettroni, dovrai collegare l’estremità negativa di un circuito al tipo N e quella positiva al tipo P. Se lo fai al contrario, la zona di esaurimento si allarga, il che rende molto difficile il passaggio della corrente attraverso il dispositivo, da qui il flusso unidirezionale.
Led: Un Diodo che emette luce
Anche nel principio dei diodi di base – due sezioni di un semiconduttore, una contenente elettroni extra e una contenente buchi di elettroni extra che accettano elettroni condotti – il dispositivo produce energia luminosa ogni volta che gli elettroni “cadono” dalla banda di conduzione nei buchi degli elettroni.
I diodi realizzati con determinati materiali faranno “cadere” gli elettroni più lontano, rilasciando una maggiore quantità di energia che rende visibile la luce. Il colore della luce è determinato da:
- La quantità di energia rilasciata dal diodo.
- I materiali specifici che compongono il diodo.
Ad esempio, i LED rossi e verdi sono disponibili da decenni, ma nel 2014 tre ricercatori hanno vinto il Premio Nobel per la fisica per il loro utilizzo di semiconduttori al nitruro di gallio per realizzare i primi LED a luce blu. Come risultato di questa scoperta, sono ora possibili array di LED a “luce bianca” (come per le lampadine ad alta efficienza). Questi array funzionano mescolando LED rossi, verdi e blu (i tre colori primari della luce) per ottenere il bianco.
Come funzionano?
Un LED è in grado di generare luce grazie alla disposizione dei due materiali semiconduttori posti tra i suoi elettrodi:
- Tipo N: semiconduttore con elettroni extra (noti anche come particelle con carica negativa extra).
- Tipo P: un semiconduttore con uchi extra (noti anche come particelle con carica positiva extra).
Il collegamento del semiconduttore di tipo N all’elettrodo negativo e del semiconduttore di tipo P all’elettrodo positivo attiva gli elettroni in modo che possano fluire attraverso la giunzione dallo strato negativo a quello positivo. Quando gli elettroni extra (particelle con carica negativa) si muovono attraverso i fori extra (particelle con carica positiva), emettono luce.
Il materiale conduttivo che compone i LED è tipicamente alluminio-gallio-arseniuro (AlGaAs), ma ne esistono di altri tipi. I materiali sono selezionati in modo specifico perché producono fotoni che verranno rilasciati sulla porzione visibile dello spettro luminoso. Il tipo di materiale scelto e la quantità utilizzata altera il colore della luce perché ogni materiale genera fotoni a diverse lunghezze d’onda, influenzando il modo in cui appare all’occhio umano.
Un po’ di Fisica dietro la tecnologia LED
La luminosità è un aspetto importante dei LED. L’occhio umano ha la massima sensibilità alla luce vicino alla regione di 550 nm della parte giallo-verde dello spettro visibile. Ecco perché un LED verde appare più luminoso di un LED rosso anche se entrambi utilizzano la stessa corrente. I parametri importanti del LED responsabili delle sue prestazioni sono:
- Flusso luminoso: Indica l’energia luminosa irradiata dal LED. Si misura in termini di Lumen (lm) o Milli lumen (mlm)
- Intensità luminosa: Il flusso luminoso che copre una vasta area è l’intensità luminosa. Si misura come Candela (cd) o millicandela (mcd) La luminosità del LED è direttamente correlata alla sua intensità luminosa.
- Efficacia luminosa: È l’energia luminosa emessa rispetto alla potenza in ingresso. Si misura in termini di lumen per watt (lm w).
Corrente diretta, tensione diretta, angolo di visione e velocità di risposta sono i fattori che influenzano la luminosità e le prestazioni dei LED. La corrente diretta (IF) è la corrente che scorre attraverso il diodo quando è polarizzato in avanti e dovrebbe essere limitato a 10-30 milliampere, altrimenti il LED verrà distrutto.
L’angolo di visione è l’angolo fuori asse in cui l’intensità luminosa scende a metà del suo valore assiale. Questo è il motivo per cui mostra più luminosità in piena condizione. I LED ad alta luminosità hanno un angolo di visione stretto in modo che la luce sia focalizzata in un raggio. La tensione diretta (Vf) è la caduta di tensione attraverso il LED quando conduce. La caduta di tensione diretta varia da 1,8 V a 2,6 Volt nei normali LED, ma in blu e bianco salirà fino a 5 volt. La velocità di risposta rappresenta la velocità con cui un diodo viene acceso e spento. Questo è un fattore importante se i LED vengono utilizzati nei sistemi di comunicazione.
Realizzazione dei LED
La costruzione del LED è molto semplice perché è progettata attraverso la deposizione di tre strati di materiale semiconduttore su un substrato. Questi tre strati sono disposti uno per uno in cui la regione superiore è una regione di tipo P, la regione centrale è attiva e, infine, la regione inferiore è di tipo N. Le tre regioni di materiale semiconduttore possono essere osservate nella costruzione. Nella costruzione, la regione di tipo P include i fori; la regione di tipo N include le elezioni mentre la regione attiva include sia lacune che elettroni.
Quando la tensione non viene applicata al LED, non c’è flusso di elettroni e lacune, quindi sono stabili. Una volta applicata la tensione, il diodo verrà polarizzato in avanti, quindi gli elettroni nella regione N e le lacune della regione P si sposteranno nella regione attiva. Questa regione è anche conosciuta come la regione di esaurimento. Perché i portatori di carica come i buchi includono una carica positiva mentre gli elettroni hanno una carica negativa, quindi la luce può essere generata attraverso la ricombinazione delle cariche di polarità.
Quali sono i due tipi di configurazioni?
Le configurazioni standard sono due, ovvero come emettitori e COB
L’emettitore è un singolo dado che viene montato su un circuito stampato, quindi su un dissipatore di calore. Questo circuito fornisce energia elettrica verso l’emettitore, assorbendo anche il calore.
Per aiutare a ridurre i costi e migliorare l’uniformità della luce, i ricercatori hanno stabilito che il substrato del LED può essere staccato e il singolo die può essere montato apertamente sul circuito stampato. Quindi questo progetto è chiamato COB (array chip-on-board).
Vantaggi dei LED
I vantaggi del diodo a emissione di luce includono quanto segue.
- Il costo dei LED è inferiore.
- Utilizzando il LED l’elettricità è controllata.
- L’intensità del LED varia con l’aiuto del microcontrollore.
- Lunga vita
- Energia efficiente
- Nessun periodo di riscaldamento
- Nessuna influenza dalle basse temperature
- Direzionale
- La resa cromatica è eccellente
- Ecologico
- Controllabile
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