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Il diodo ad emissione di luce (LED): principio di funzionamento e applicazioni

Il diodo ad emissione di luce (LED): principio di funzionamento e applicazioni

Il LED (Light Emitting Diode) è un dispositivo costituito da una giunzione p-n polarizzata direttamente e atta all’emissione della luce. Nei semiconduttori, oltre a banda di valenza e banda di conduzione, è possibile individuare un particolare livello energetico detto “livello di Fermi”.

A temperature prossime a T=0K tale livello è posizionato in corrispondenza dell’ultimo livello di energia occupato dagli elettroni, mentre a temperature superiori, potendo essere superato da qualche elettrone, è posizionato al di sotto dell’ultimo livello energetico occupato. Se il semiconduttore è intrinseco (non drogato), il livello di Fermi si trova al centro della gap, a metà strada tra banda di valenza e banda di conduzione.

Quando, invece, il semiconduttore viene drogato, a seconda che il drogaggio sia di tipo n o di tipo p, il livello di Fermi tende a portarsi, rispettivamente, di poco sotto la banda di conduzione, o di poco sopra la banda di valenza.

led funzionamento

Un caso particolare si verifica quando il drogaggio supera i 10^19 elettroni o lacune per centimetro cubo; in questa situazione, infatti, il livello di Fermi tende ad entrare nella banda di conduzione se il drogaggio è di tipo n o nella banda di valenza se il drogaggio è di tipo p.

Quando si mettono a contatto due porzioni di uno stesso materiale drogate in modo opposto (una di tipo p e una di tipo n), si forma quel che viene detta “giunzione p – n”. Con riferimento alla figura 2, analizziamo cosa accade in prossimità della suddetta giunzione. Prima di tutto, nella regione di contatto tra le due parti, gli elettroni tendono a diffondere dalla zona n alla zona p, mentre le lacune si spostano dalla zona p alla zona n. La regione a destra e a sinistra della giunzione prende il nome di “zona di svuotamento”, in quanto è caratterizzata da una diminuzione di elettroni nella parte n e da un decremento di lacune nella porzione p.

Questo fenomeno di diffusione si verifica a causa della tendenza dei livelli di Fermi delle due porzioni a raggiungere l’allineamento. In altre parole, la regione di tipo n tende a far abbassare il suo livello di Fermi cedendo elettroni alla regione p, mentre la regione p spinge il proprio livello di Fermi ad alzarsi, ricevendo elettroni dalla zona n e, quindi, cedendo lacune.

diodo ad emissione di luce funzionamento

Il processo di diffusione termina quando i livelli di Fermi delle due porzioni di materiale risultano allineati. A seguito dello spostamento dei livelli di Fermi, la banda di valenza e la banda di conduzione nella regione di svuotamento risultano “piegate”; infatti, dato che la parte n tende a cedere elettroni alla parte p, la banda di conduzione subisce un piegamento che la allontana dal livello di Fermi, mentre, dal momento che la parte p tende a ricevere elettroni dalla zona n, la sua banda di conduzione tende ad avvicinarsi al livello di Fermi.

Le regioni lontane dalla giunzione, invece, non essendo interessate a fenomeni diffusivi, mantengono inalterata la posizione delle loro bande (fig. 2c). Una volta che i livelli di Fermi risultano allineati, la zona di svuotamento non è più soggetta a fenomeni diffusivi ed è caratterizzata, a destra, da una regione di ioni fissi negativi e, a sinistra, da una zona di ioni fissi positivi (fig.3 ). Questa differenza di carica ai lati della giunzione dà origine al cosiddetto potenziale di “built-in”, il quale, a livello grafico, è rappresentato dal segmento OB mostrato in figura 3 .

diodo ad emissione di luce applicazioni

La presenza di tale potenziale determina la nascita di un campo elettrico che, in condizione di equilibrio, si oppone ad ogni ulteriore diffusione di cariche, evitando il disallineamento dei livelli di Fermi. Quando si applica un potenziale alla giunzione, quasi tutto il voltaggio tende a cadere nella regione di svuotamento, determinando una variazione di curvatura delle bande. In particolare, applicando un potenziale negativo alla zona n (polarizzazione diretta), la curvatura delle bande si affievolisce, il potenziale di built-in tende ad abbassarsi e la regione di svuotamento si restringe(fig 4a ); al contrario, con una polarizzazione inversa (ottenuta applicando un potenziale negativo alla zona p) si verifica un incremento della curvatura delle bande, un innalzamento del potenziale di built-in e un allargamento della regione di svuotamento (fig 4b).

LED: PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

Il LED, come già accennato, è costituito da una giunzione p-n polarizzata direttamente; ciò significa che alla zona p è stato applicato un potenziale positivo, mentre alla zona n è stato imposto un potenziale negativo.

In questa situazione, gli elettroni della parte n, respinti dal potenziale negativo, entrano nella regione di svuotamento e convertono gli ioni fissi positivi in cariche libere negative; da parte opposta, anche le lacune, respinte dal potenziale positivo, entrano nella zona di svuotamento e trasformano gli ioni fissi negativi in cariche positive; come conseguenza di questa diffusione di cariche, la regione di svuotamento si restringe, la curvatura delle bande si affievolisce e il potenziale di built-in tende ad abbassarsi di una quantità pari al potenziale applicato (fig 4a ).

Una volta che la regione di svuotamento è praticamente scomparsa, gli elettroni liberi della parte n e le lacune della parte p si ricombinano a livello della giunzione emettendo fotoni (fig 4b).

led funzionamento

Dal momento che gli elettroni della regione n si trovano in banda di conduzione, mentre le lacune della zona p sono in banda di valenza, affinché avvenga la ricombinazione, gli elettroni devono liberarsi della quantità di energia corrispondente alla gap e saltare in banda di valenza. Durante questo processo l’energia di cui gli elettroni si liberano viene emessa in forma di luce e il colore di tale radiazione luminosa dipende esclusivamente dal valore della gap del semiconduttore.
Quest’ultimo, per garantire ricombinazioni facili e, soprattutto, radiative, deve essere caratterizzato da una corrispondenza spaziale tra minimo della banda di conduzione e massimo della banda di valenza: esso deve essere, quindi, un semiconduttore a gap diretta (ad esempio arseniuro di gallio).

APPLICAZIONI DEI LED

L’impiego dei primi LED risale agli anni ’70, quando questi dispositivi, inizialmente solo di colore rosso, venivano utilizzati nei dislay luminosi e come indicatori di stato nei circuiti elettronici.
Attualmente, grazie all’ampliamento della gamma di colori realizzabili, i LED vengono impiegati in moltissimi settori ( nella segnaletica stradale, nell’elettronica di consumo…) anche se il contesto industriale in cui vengono maggiormente utilizzati è quello dell’illuminotecnica.
Questi diodi, infatti, presentano notevoli vantaggi rispetto ai dispositivi tradizionali di illuminazione: maggior efficienza, minor rischio di malfunzionamenti, dimensioni ridotte, facilità di realizzazione di effetti luminosi e attitudine ad operare anche in ambienti ostili dal punto di vista dell’umidità e della temperatura.

 

 

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ritratto di Sberla88

led

ciao volevo sapere se tu sai dirmi dove posso trovare dei led a 3 chip infrarossi...ckè ho già girato 10 negozi di elettronica ma nessuno li ha ciao grazie

 

 

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