Come funziona un LED?
Nonostante siano utilizzati in molti aspetti della vita moderna, come l'illuminazione delle nostre case, l'alimentazione degli schermi degli smartphone e la direzione del traffico, i diodi a emissione di luce (LED) differiscono dalle tecnologie di illuminazione più convenzionali come le lampadine a incandescenza o fluorescenti a causa della sofisticata fisica dei semiconduttori.LEDutilizzano un processo noto come elettroluminescenza, che è l'emissione di fotoni (particelle luminose) quando una corrente elettrica scorre attraverso un materiale semiconduttore appositamente realizzato. Ciò è in contrasto con le lampade a incandescenza, che producono luce riscaldando un filamento, o con le lampade fluorescenti, che utilizzano gas e radiazioni UV. Dobbiamo prima esaminare i fondamenti dei semiconduttori, la progettazione di un LED e la procedura sequenziale che converte l'elettricità in luce visibile per comprendere come ciò avviene.
La base: bande di energia e semiconduttori
Ogni LED è alimentato da un semiconduttore, una sostanza che conduce l'elettricità in modo più povero dei conduttori (come il rame) ma migliore degli isolanti (come il vetro). Le bande di energia degli elettroni-aree di energia che gli elettroni possono occupare-sono essenziali per il comportamento distintivo di un semiconduttore. Gli elettroni hanno livelli energetici distinti in tutti i materiali, ma nei solidi questi livelli si combinano per formare due bande principali: la banda di conduzione e la banda di valenza.
Gli atomi del materiale sono tenuti insieme in una struttura cristallina dagli elettroni della banda di valenza, che sono saldamente attaccati agli atomi. La conduttività elettrica è resa possibile dagli elettroni nella banda di conduzione, che sono liberi di fluire attraverso la sostanza. Tra queste due bande esiste il band gap, un intervallo di energia in cui gli elettroni non possono abitare. La dimensione del gap di banda di un materiale determina se si tratta di un isolante, conduttore o semiconduttore: i semiconduttori hanno un gap di banda piccolo e misurabile (gli elettroni possono attraversare il gap con un piccolo apporto di energia, come una corrente elettrica), i conduttori non hanno gap di banda (gli elettroni si muovono liberamente tra le bande) e gli isolanti hanno gap di banda molto grandi (rendendo difficile per gli elettroni passare alla banda di conduzione).
Il semiconduttore utilizzato nei LED viene "dopato", ovvero un procedimento che modifica le caratteristiche elettriche del materiale aggiungendo tracce di impurità. Sia i semiconduttori di tipo n-che quelli di tipo p-sono prodotti mediante drogaggio. Quando elementi con elettroni aggiuntivi, come il fosforo, vengono drogati in semiconduttori di tipo N-, diventano liberi di muoversi nella banda di conduzione e conferiscono al materiale una carica netta negativa. Gli elementi con meno elettroni, come il boro, vengono utilizzati per drogare i semiconduttori di tipo P-. Ciò si traduce in "buchi", o elettroni mancanti nella banda di valenza, che funzionano come cariche positive e possono passare attraverso il materiale mentre gli elettroni li riempiono. Un LED funziona grazie alla giunzione p-n, che è l'intersezione di queste due regioni drogate.
La struttura del LED: dall'emissione luminosa alla giunzione P-N
Il design semplice ma accurato di un LED massimizza l'emissione luminosa riducendo la perdita di energia. La sua giunzione p-n si trova in un sottile strato di materiale semiconduttore, tipicamente a base di gallio-, come l'arseniuro di gallio o il nitruro di gallio. Il substrato, un materiale di fondazione che fornisce supporto e favorisce la dissipazione del calore, è il punto in cui è attaccato questo strato semiconduttore. Questo è importante poiché il surriscaldamento può ridurre la durata di vita di un LED.
Un elettrodo è collegato alla regione di tipo p- (l'anodo, un terminale positivo) e l'altro alla regione di tipo n- (il catodo, un terminale negativo) sopra lo strato semiconduttore. Un campo elettrico viene prodotto attraverso la giunzione p-n quando viene fornita una tensione attraverso questi elettrodi (il catodo è negativo e l'anodo è positivo). Gli elettroni liberi del semiconduttore di tipo n- vengono spinti verso la giunzione da questo campo, mentre i fori del semiconduttore di tipo p- vengono attirati nella stessa direzione.
Affinché la luce generata nella giunzione p-n possa fuoriuscire, lo strato semiconduttore deve essere trasparente o semi-trasparente (o avere uno strato riflettente su un lato). ModernoLEDimpiegano materiali come il nitruro di gallio (GaN), che sono trasparenti alla luce visibile e garantiscono che la maggior parte dei fotoni raggiunga la superficie, a differenza dei primi LED, che spesso utilizzavano materiali semiconduttori opachi che limitavano l'emissione luminosa. La giunzione p-n del semiconduttore è il luogo in cui avviene il processo primario di generazione della luce-, sebbene alcuni LED abbiano anche una lente o un rivestimento per focalizzare la luce o cambiarne il colore.
Passaggio 1: utilizzo della ricombinazione-di elettroni e della tensione
Una tensione esterna fornita agli elettrodi del LED avvia il processo di emissione della luce stabilendo una polarizzazione diretta, che è la direzione corretta del flusso di corrente per il LED.GUIDATOfunzionare; la polarizzazione inversa, d'altra parte, interrompe la corrente e non produce luce. Gli elettroni liberi dall'area di tipo n- vengono accelerati nella regione di tipo p- e le lacune dalla regione di tipo p- vengono accelerati nella regione di tipo n- dal campo elettrico attraverso la giunzione p-n quando viene applicata la polarizzazione diretta.
Questi elettroni e queste lacune alla fine si uniscono in corrispondenza o in prossimità della giunzione p-n mentre viaggiano nella stessa direzione. Un elettrone libero dalla banda di conduzione dell'area di tipo n- "cade" nella lacuna quando collide con una lacuna della banda di valenza della regione di tipo p-, passando da uno stato energetico più elevato nella banda di conduzione a un livello energetico più basso nella banda di valenza. L'elettrone e la lacuna si annullano a vicenda durante questa transizione, nota come ricombinazione, e l'energia extra che perdono viene emessa sotto forma di fotone.
La dimensione della banda proibita del semiconduttore influisce direttamente sull'energia di questo fotone, che conferisce il colore alla luce. Un fotone con un’energia più elevata (e una lunghezza d’onda più corta, come la luce blu o viola) viene creato quando un elettrone si ricombina con una lacuna e perde più energia a causa di una banda proibita più ampia. Un fotone con una lunghezza d'onda maggiore, come la luce rossa o arancione, e meno energia viene prodotto da un gap di banda più piccolo.
Ad esempio:
A causa della sua stretta banda proibita, l'arseniuro di gallio (GaAs) emette luce rossa con una lunghezza d'onda di circa 650 nm. A causa della sua banda proibita più ampia, il nitruro di gallio (GaN) emette luce blu o viola con una lunghezza d'onda di circa 450 nm.
I produttori possono modificare il gap di banda per produrre LED che generano luce verde, gialla o anche bianca combinando vari materiali semiconduttori (come nitruro di gallio indio o InGaN) (maggiori informazioni sui LED bianchi di seguito).
Passaggio 2: efficienza ed estrazione della luce
Alcuni dei fotoni generati dalla ricombinazione vengono assorbiti dal materiale semiconduttore stesso, mentre altri si riflettono sugli elettrodi o sulla giunzione p-n e vengono rilasciati sotto forma di calore. Non tutti questi fotoni lasciano ilGUIDATOcome luce visibile. I progettisti di LED utilizzano una serie di strategie per migliorare "l'estrazione della luce" al fine di ottimizzare l'efficienza:
Substrati trasparenti: la maggior parte della luce veniva intrappolata dai substrati opachi (come il germanio) utilizzati nei primi LED. Nei moderni LED vengono utilizzati substrati trasparenti, come il carburo di silicio o lo zaffiro, per consentire ai fotoni di raggiungere la superficie.
Superfici strutturate: per ridurre la quantità di luce riflessa nel materiale, la superficie del semiconduttore viene spesso incisa con motivi minuti, come protuberanze o scanalature. Modificando l'angolo con cui la luce colpisce la superficie, ciò aumenta la probabilità che fugga anziché rimbalzare.
Strati riflettenti: il retro del semiconduttore è ricoperto da un sottile strato riflettente, spesso composto da metallo come alluminio o argento. Questo strato aumenta la quantità di luce che lascia il LED riflettendo i fotoni che altrimenti andrebbero persi attraverso il substrato verso la parte anteriore del LED.
Anche se molto meno che con le luci a incandescenza, una parte dell’energia viene comunque persa sotto forma di calore nonostante questi progressi. Nei LED solo il 10-25% dell’energia viene disperso sotto forma di calore, mentre il 75-90% dell’energia viene trasformato in luce, rispetto al 90-95% delle lampade a incandescenza. Grazie alla loro eccellente efficienza, i LED consumano molta meno energia rispetto alle luci convenzionali.
Come funzionano i LED bianchi: una situazione unica
La maggior parte dei LED emette solo un colore, o luce monocromatica, ma i LED bianchi, utilizzati nei fari, nei televisori e nell'illuminazione domestica, necessitano di una strategia diversa perché non esiste un materiale semiconduttore con un gap di banda che crei direttamente la luce bianca. Piuttosto, i LED bianchi utilizzano una delle due tecniche principali:
Conversione del fosforo: un bluGUIDATO(fatto di nitruro di gallio) ricoperto di fosforo giallo-una sostanza che assorbe la luce di una lunghezza d'onda ed emette la luce di un'altra-viene utilizzata nella tecnica più popolare. Il fosforo assorbe alcuni dei fotoni blu emessi dal LED blu e riemette i fotoni gialli. I nostri occhi interpretano i fotoni blu rimanenti come luce bianca una volta che si combinano con i fotoni gialli. I produttori aggiungono tracce di fosforo rosso o verde al rivestimento per modificare la temperatura del colore, o "calore" o "freddezza", della luce bianca. Ad esempio, l’aggiunta di ulteriore luce blu produce una luce bianca fredda (5.000 K–6.500 K), mentre l’aggiunta di fosforo rosso produce una luce bianca calda (2.700 K–3.000 K).
Miscelazione RGB: questa tecnica meno popolare combina tre diversi LED-rosso, verde e blu-in un unico pacchetto. I tre colori si combinano per creare luce bianca (o qualsiasi altra tonalità dello spettro visibile) variando la luminosità di ciascun LED. Sebbene questa tecnica sia più costosa della conversione del fosforo, viene utilizzata in situazioni che richiedono una gestione precisa del colore, come l'illuminazione di palcoscenici o display-di fascia alta.
Le distinzioni tra LED e illuminazione convenzionale
Sapere come funzionano i LED rende più facile capire perché funzionano meglio delle lampadine fluorescenti e a incandescenza in quasi tutte le categorie:
Efficienza energetica: i LED utilizzano l'elettroluminescenza, che è naturalmente efficiente; a differenza delle lampade a incandescenza, che consumano energia per riscaldare un filamento, le lampade fluorescenti non sprecano energia producendo radiazioni UV.
Lunga durata: i LED non si bruciano facilmente perché non hanno parti mobili o filamenti delicati. A differenza delle lampade a incandescenza, che hanno una durata di 1.000–2.000 ore, i LED hanno una durata di 50.000–100.000 ore a causa del degrado estremamente graduale del materiale semiconduttore nel tempo.
Accensione/spegnimento istantaneo: a differenza delle lampade fluorescenti, che richiedono pochi secondi per illuminarsi completamente, i LED non hanno tempi di riscaldamento-e si attivano immediatamente alla massima luminosità.
Durabilità: perchéLEDsono componenti elettronici-a stato solido, possono resistere a urti, vibrazioni e temperature elevate, il che li rende perfetti per applicazioni esterne o ambienti difficili (come automobili o fabbriche).
Il futuro della tecnologia LED
Nuovi sviluppi stanno aumentando il potenziale della tecnologia LED mentre ricercatori e ingegneri continuano a migliorarla. Ad esempio:
QLED o LED a punti quantici: migliorano la luminosità e la precisione del colore utilizzando punti quantici, che sono piccole particelle semiconduttrici. I ricercatori stanno cercando di rendere i QLED più efficienti dal punto di vista energetico-per l'illuminazione generale e attualmente si trovano nei televisori-di fascia alta.
Micro LED: questi LED incredibilmente piccoli, larghi solo pochi micrometri, possono essere raggruppati in array densi per produrre illuminazione flessibile o schermi ad alta-risoluzione. Si prevede che i futuri smartphone e televisori utilizzeranno micro LED anziché OLED a causa della loro durata di vita più lunga e di una migliore resa.
LED alla perovskite: rispetto ai materiali convenzionali a base di gallio-, la perovskite è un nuovo tipo di materiale semiconduttore meno costoso da produrre. I ricercatori stanno cercando di aumentare la stabilità dei LED alla perovskite per uso commerciale poiché si sono dimostrati promettenti nel fornire una luce brillante ed efficiente.
Insomma
LEDsono dispositivi molto semplici costituiti da un semiconduttore drogato con giunzione ap-n che utilizza la ricombinazione di elettroni-lacuna per trasformare l'energia elettrica in luce. Sono tra le tecnologie di illuminazione più efficaci e adattabili mai sviluppate, ma la loro semplicità nasconde la complessità della loro costruzione, che comprende tutto, dall'ingegneria dell'estrazione della luce all'esatta regolazione del band gap. Conoscere come funzionano i LED ci permette di comprendere sia la scienza sofisticata che li sostiene sia i loro utili vantaggi (durata di vita più lunga, costi energetici più bassi). Con l'ulteriore sviluppo della tecnologia LED, probabilmente contribuirà ancora di più a ridurre il consumo energetico globale, ad arrestare il cambiamento climatico e a influenzare la progettazione dell'illuminazione in futuro-dimostrando che a volte le scoperte più significative derivano dai principi scientifici più fondamentali.
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