La forma completa di LED è Light Emitting Diode. I LED sono un tipo speciale di diodi a semiconduttore che emettono luce in risposta a una differenza di potenziale applicata ai loro terminali, da cui il nome diodo a emissione di luce. Proprio come un normale diodo, anche i LED hanno due terminali con polarità, ovvero anodo e catodo. Per illuminare un LED viene applicata una differenza di potenziale o una tensione ai terminali dell'anodo e del catodo.
Oggi, i LED sono ampiamente utilizzati per la produzione di lampade a LED all'avanguardia ad alta luminosità. Questi sono anche comunemente usati per la produzione di luci decorative a LED e indicatori a LED.
Breve storia
Nonostante il fatto che i LED siano oggi considerati un prodotto dell'industria dei semiconduttori high-tech, la loro proprietà illuminante è stata inizialmente identificata molti molti anni fa. La prima persona a notare l'effetto della luce a LED è stato uno degli ingegneri di Marconi, HJ Round, noto anche per diverse invenzioni di tubi a vuoto e radio. Gli capita di scoprirlo nell'anno 1907 mentre faceva ricerche con Marconi sui rivelatori di cristalli a contatto puntuale.
Nel 1907, la rivista Electrical World fu la prima a riferire su queste scoperte. Il concetto di LED rimase inattivo per diversi anni fino a quando fu riscoperto nel 1922 dallo scienziato russo O.V. Losov.
Losov risiedeva a Leningrado, dove fu tragicamente ucciso nella seconda guerra mondiale. È possibile che la maggior parte dei suoi progetti siano andati perduti durante la guerra. Sebbene abbia depositato un totale di quattro brevetti tra gli anni 1927 e 1942, la sua ricerca non è stata riconosciuta fino a dopo la sua morte.
Il concetto di LED riapparve nel 1951, quando un gruppo di scienziati guidato da K. Lehovec iniziò a studiarne l'effetto. L'indagine è proseguita con la partecipazione di altre organizzazioni e ricercatori, tra cui W. Shockley (inventore del transistor). Alla fine, il concetto di LED è stato perfezionato in modo significativo e ha iniziato a essere commercializzato alla fine degli anni '60.
Quale materiale semiconduttore viene utilizzato in una giunzione LED?
In sostanza, i diodi emettitori di luce sono una giunzione PN specializzata realizzata utilizzando un semiconduttore composto.
Silicio e germanio sono i due semiconduttori più utilizzati, tuttavia poiché si tratta solo di elementi, i LED non possono essere ricavati da essi.
Al contrario, materiali come l'arseniuro di gallio, il fosfuro di gallio e il fosfuro di indio che combinano due o più elementi vengono spesso utilizzati per realizzare i LED. L'arseniuro di gallio, ad esempio, ha una valenza di tre e l'arsenico ha una valenza di cinque, e quindi entrambi sono classificati come semiconduttori di gruppo III -V.
I materiali appartenenti al gruppo III-V possono essere utilizzati anche per creare altri semiconduttori composti.
Quando una giunzione a semiconduttore è polarizzata in avanti, i fori della regione di tipo P e gli elettroni della regione di tipo N entrano nella giunzione e si combinano, proprio come farebbero in un normale diodo.
La corrente si muove attraverso la giunzione in questo modo.
Di conseguenza viene rilasciata energia, parte della quale viene emessa come fotoni (luce). Per garantire che la minor quantità di fotoni (luce) venga assorbita dalla struttura, il lato P della giunzione, che nella maggior parte dei casi produce la maggior parte della luce, è posizionato più vicino alla superficie del dispositivo.
La giunzione deve essere perfettamente ottimizzata e devono essere utilizzati i materiali giusti per creare luce visibile. La regione dell'infrarosso dello spettro è dove l'arseniuro di gallio puro emette la sua energia.
Come i LED ottengono i loro colori
L'alluminio viene introdotto nel semiconduttore per produrre arseniuro di alluminio e gallio, che sposta la luce LED nell'estremità rossa brillante dello spettro (AIGaAs).
La luce rossa può anche essere prodotta aggiungendo fosforo.
Vari materiali sono utilizzati per altri colori di LED. Ad esempio, il fosfuro di gallio emette luce verde, mentre la luce gialla e arancione è prodotta dal fosfuro di gallio e indio di alluminio. La maggior parte dei LED è costituita da semiconduttori di gallio.
I LED sono prodotti con due strutture
Il diodo a emissione superficiale e il diodo a emissione di bordi, che si vedono nelle Figg. 1 A e B, rispettivamente, sono le due architetture primarie utilizzate per i LED. Il diodo a emissione superficiale è il più popolare poiché produce luce su un angolo più ampio.
Dopo la produzione, la struttura del LED deve essere racchiusa in modo tale da poter essere utilizzata in sicurezza senza alcun danno al LED.
La maggior parte dei minuscoli indicatori LED sono incapsulati in una colla epossidica con un indice di rifrazione che si trova da qualche parte tra quello del semiconduttore e quello dell'aria circostante (vedi Fig. 2 sotto). Il diodo è così perfettamente protetto e la luce viene trasferita nel mondo esterno nel modo più efficace.
Specifiche della tensione diretta (VF) del LED
Poiché i LED sono dispositivi sensibili alla corrente, la tensione applicata non deve mai superare la specifica minima di tensione diretta del LED. La specifica della tensione diretta di un LED (VF) è semplicemente il livello di tensione ottimale che può essere utilizzato per illuminare il LED in modo sicuro e luminoso. Se la corrente supera le specifiche di tensione diretta del LED, il LED si brucerà e verrà danneggiato in modo permanente.
Nel caso in cui la tensione di alimentazione sia superiore alla tensione diretta del LED, viene utilizzata una resistenza calcolata in serie con l'alimentazione per limitare la corrente al LED. Ciò garantisce che il LED sia in grado di illuminarsi in sicurezza con una luminosità ottimale.
Il valore della tensione diretta della maggior parte dei LED oggi è di circa 3,3 V. Che si tratti di un LED rosso, verde o giallo, tutti in genere possono essere illuminati applicando 3,3 V ai terminali dell'anodo e del catodo.
La tensione di alimentazione del LED deve essere una CC. È possibile utilizzare anche un AC, ma il LED dovrebbe avere un diodo raddrizzatore collegato ad esso. Ciò garantisce che il cambio di polarità della tensione CA non causi alcun danno al LED.
Corrente limitante
I LED, proprio come i normali diodi, non hanno limiti di corrente intrinseci. Di conseguenza, se è collegato direttamente attraverso una batteria, verrà bruciato.
Se l'alimentazione CC è di circa 3,3 V, il LED non richiederà una resistenza di limitazione. Tuttavia, se la tensione di alimentazione è superiore a 3,3 V, sarà necessaria una resistenza in serie con il terminale LED.
La resistenza può essere collegata sia in serie con il terminale anodico del LED, sia con il terminale catodico del LED.
Per evitare danni, è necessario collegare un resistore al circuito per controllare la corrente. Indicatore normale i LED hanno una specifica di corrente massima di circa 20 mA; se la corrente è limitata al di sotto di questo, l'emissione luminosa del LED si ridurrà proporzionalmente.
Come illustrato nella Fig. 3 sopra, potrebbe essere necessario considerare la tensione ai capi del LED stesso durante la stima della quantità di corrente consumata. Perché se la tensione aumenta anche il consumo di corrente aumenterà proporzionalmente.
La formula per il calcolo della resistenza di limitazione è la seguente:
R = V - LED AVANTI V / LED Corrente
- Qui V rappresenta l'alimentazione CC in ingresso.
- LED FWD V è la specifica della tensione diretta del LED.
- La corrente del LED indica la massima capacità di gestione della corrente del LED.
Assumiamo V = 12 V, LED FWD V = 3,3 V e corrente del LED = 20 mA, quindi il valore di R può essere risolto nel modo seguente:
R = 12 - 3,3 / 0,02 = 435 Ohm, il valore standard più vicino è 470 Ohm.
La potenza sarà = 12 - 3,3 x 0,02 = 0,174 watt o semplicemente un 1/4 di watt.
