Cos'è il diodo a emissione luminosa: funzionamento e sue applicazioni

Nel regno della tecnologia moderna, una piccola ma straordinaria innovazione ha illuminato il nostro mondo: il diodo a emissione di luce (LED). Questa minuscola sorgente luminosa a semiconduttore, nata dal genio creativo di Nick Holonyak nel 1962, ha portato avanti una rivoluzione nel campo dell'illuminazione e dei display. Partiamo per un viaggio per svelare l'incantevole funzionamento dei LED ed esplorare le loro diverse applicazioni.

 

Che cos'è un diodo a emissione luminosa?

 

Il diodo emettitore di luce, noto come LED, è essenzialmente un diodo a giunzione p-n con drogaggio specializzato, realizzato con materiali semiconduttori esclusivi. Nel suo stato di polarizzazione diretta, irradia luce, distinguendolo come un diodo emettitore di luce.

 

Simbolo LED

 

Il simbolo del LED assomiglia al simbolo di un diodo standard con alcune modifiche uniche. La caratteristica distintiva è l'aggiunta di due piccole frecce che puntano in direzione opposta alla giunzione del diodo, indicando l'emissione della luce. Questa modifica indica la capacità del LED di emettere luce quando polarizzato direttamente, un aspetto fondamentale che lo distingue dai normali diodi. Oltre al simbolo modificato, il

 

Il simbolo del LED include anche le etichette per i suoi due terminali: l'anodo (+) e il catodo (-). Queste etichette aiutano ingegneri e tecnici a identificare correttamente l'orientamento del LED quando lo incorporano nei circuiti.

 

 

Costruzione di LED

 

Livello substrato: La base del LED è un substrato, generalmente costituito da materiali come zaffiro o carburo di silicio. Questo strato fornisce supporto meccanico e gestione termica, garantendo la stabilità del LED e un'efficiente dissipazione del calore.

 

Livello di tipo N: Sopra il substrato viene depositato un sottile strato di materiale semiconduttore di tipo N. Questo strato è ricco di elettroni liberi, che agiscono come portatori di carica. A questo scopo vengono comunemente utilizzati materiali come il nitruro di gallio (GaN).

 

Livello attivo: Sopra lo strato di tipo N si trova lo strato attivo, che svolge un ruolo cruciale nell'emissione luminosa del LED. Questo strato è spesso costituito da più pozzi quantici, strati estremamente sottili che facilitano la ricombinazione di elettroni e lacune (lacune caricate positivamente lasciate quando gli elettroni si muovono), un processo che genera fotoni di luce.

 

Livello di tipo P: Lo strato attivo è seguito dallo strato di tipo P, formato da materiali semiconduttori con un eccesso di "buchi" o posti vacanti caricati positivamente in cui gli elettroni possono spostarsi. Questo strato facilita la migrazione dei buchi, che contribuisce al processo di ricombinazione.

 

Livelli di contatto: Strati di contatto metallici vengono aggiunti alle regioni di tipo N e di tipo P, fungendo da terminali attraverso i quali la corrente elettrica viene iniettata nel LED. Questi strati consentono il flusso controllato di portatori di carica, ponendo le basi per l'emissione di luce.

 

Incapsulamento: Per proteggere gli strati delicati dai fattori ambientali e per migliorare l'estrazione della luce, il LED è spesso incapsulato in una resina epossidica trasparente o in un materiale trasparente.

 

Come funziona il diodo luminescente?

 

Quando viene applicata una tensione ai terminali del LED, con l'anodo collegato alla regione di tipo P e il catodo collegato alla regione di tipo N, viene stabilita una polarizzazione diretta. Questa polarizzazione consente il flusso di elettroni dalla regione di tipo N e di lacune dalla regione di tipo P nello strato attivo, creando una zona di ricombinazione. Quando gli elettroni e le lacune si ricombinano all'interno di questa regione, l'energia viene rilasciata sotto forma di fotoni, producendo luce visibile. 

 

Principio di funzionamento del LED

L'essenza operativa del diodo a emissione di luce (LED) affonda le sue radici nei principi della teoria quantistica. Secondo questa teoria, quando un elettrone passa da uno stato energetico più alto a uno stato energetico più basso, emette energia sotto forma di fotone. L'energia di questo fotone è esattamente allineata con il divario energetico esistente tra questi due livelli energetici. Negli scenari in cui un diodo a giunzione PN è polarizzato direttamente, consentendo una direzione preferita del flusso di corrente, viene facilitata una corrente elettrica attraverso il diodo.

 

Flusso di corrente dei semiconduttori sottostanti

 

Il flusso di corrente all'interno dei semiconduttori è strettamente legato al movimento dei portatori di carica, in particolare elettroni e lacune. Queste entità si muovono in direzioni contrastanti rispetto al flusso di corrente. Di conseguenza, come conseguenza delle interazioni di questi portatori di carica emerge un fenomeno chiamato ricombinazione.

 

Questo processo di ricombinazione indica la transizione degli elettroni all'interno della banda di conduzione alla banda di valenza. Durante questa transizione, quando gli elettroni saltano da una banda all’altra, irradiano energia elettromagnetica sotto forma di fotoni. Il livello di energia di questi fotoni si allinea con il divario energetico proibito intrinseco al materiale.

 

Una visione quantistica

 

A scopo illustrativo, approfondiamo ulteriormente il regno della teoria quantistica. L'energia trasportata da un fotone è funzione della costante di Planck (h) e della frequenza (f) della radiazione elettromagnetica. Matematicamente, questa relazione è espressa come:

 

Equazione: E = hf

 

Qui h rappresenta la costante di Planck, mentre c simboleggia la velocità della radiazione elettromagnetica, equivalente alla velocità della luce. La frequenza della radiazione (f) e la velocità della luce (c) sono collegate dall'equazione f = c / λ, dove λ indica la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica. Sostituendo queste relazioni nell'equazione si ottiene:

 

Equazione: E = hc / λ

 

Questa equazione sottolinea la proporzionalità inversa tra la lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica e il gap energetico proibito. Questo fenomeno è particolarmente pronunciato in materiali come i semiconduttori al silicio e al germanio, dove lo spazio proibito tra le bande di conduzione e di valenza genera radiazioni principalmente sotto forma di onde infrarosse. In particolare, le lunghezze d'onda della radiazione infrarossa si trovano oltre lo spettro visibile, rimanendo quindi invisibili alla percezione umana.

 

Applicazioni dei diodi a emissione luminosa (LED)

 

1. I LED trovano utilità come lampadine in ambienti residenziali e industriali.
2. I diodi emettitori di luce sono integrati nelle motociclette e nelle automobili.
3. I LED vengono utilizzati nei telefoni cellulari per visualizzare i messaggi.
4. La tecnologia LED è sfruttata per i sistemi di segnaletica stradale.

 

Conclusione

 

Pertanto, questo articolo mostra una panoramica del LED principio di funzionamento e applicazione del circuito. Spero che leggendo questo articolo tu abbia acquisito alcune informazioni di base e di funzionamento sul diodo emettitore di luce. Se desideri acquistare una luce a LED, potresti dare la possibilità a Infralumin.