Il diodo emettitore di luce è un diodo speciale. Come i normali diodi, i diodi emettitori di luce sono composti da chip semiconduttori. Questi materiali semiconduttori sono preimpiantati o drogati per produrre strutture p e n.
Come altri diodi, la corrente nel diodo emettitore di luce può facilmente fluire dal polo p (anodo) al polo n (catodo), ma non nella direzione opposta. Due portatori diversi: le lacune e gli elettroni fluiscono dagli elettrodi alle strutture p e n sotto diverse tensioni degli elettrodi. Quando le lacune e gli elettroni si incontrano e si ricombinano, gli elettroni cadono a un livello energetico inferiore e rilasciano energia sotto forma di fotoni (i fotoni sono ciò che spesso chiamiamo luce).
La lunghezza d'onda (colore) della luce che emette è determinata dall'energia bandgap dei materiali semiconduttori che compongono le strutture p e n.
Poiché il silicio e il germanio sono materiali con bandgap indiretto, a temperatura ambiente, la ricombinazione di elettroni e lacune in questi materiali è una transizione non radiativa. Tali transizioni non rilasciano fotoni, ma convertono l'energia in energia termica. Pertanto, i diodi al silicio e al germanio non possono emettere luce (emettono luce a temperature specifiche molto basse, che devono essere rilevate con un angolo speciale e la luminosità della luce non è evidente).
I materiali utilizzati nei diodi emettitori di luce sono tutti materiali con bandgap diretto, quindi l'energia viene rilasciata sotto forma di fotoni. Queste energie di banda proibite corrispondono all'energia luminosa nelle bande del vicino infrarosso, del visibile o del vicino ultravioletto.
Questo modello simula un LED che emette luce nella parte infrarossa dello spettro elettromagnetico.
Nelle prime fasi di sviluppo, i diodi emettitori di luce che utilizzano arseniuro di gallio (GaAs) potevano emettere solo luce infrarossa o rossa. Con il progresso della scienza dei materiali, i diodi emettitori di luce di nuova concezione possono emettere onde luminose con frequenze sempre più elevate. Oggi è possibile realizzare diodi emettitori di luce di vari colori.
I diodi sono solitamente costruiti su un substrato di tipo N, con uno strato di semiconduttore di tipo P depositato sulla sua superficie e collegato insieme tramite elettrodi. I substrati di tipo P sono meno comuni, ma vengono anche utilizzati. Anche molti diodi emettitori di luce commerciali, in particolare GaN/InGaN, utilizzano substrati di zaffiro.
La maggior parte dei materiali utilizzati per realizzare i LED hanno indici di rifrazione molto elevati. Ciò significa che la maggior parte delle onde luminose vengono riflesse nel materiale all'interfaccia con l'aria. Pertanto, l’estrazione delle onde luminose è un argomento importante per i LED e gran parte della ricerca e dello sviluppo si concentrano su questo argomento.
La differenza principale tra i LED (diodi emettitori di luce) e i diodi ordinari è nei materiali e nella struttura, che porta a differenze significative nella loro efficienza nel convertire l'energia elettrica in energia luminosa. Ecco alcuni punti chiave per spiegare perché i LED possono emettere luce e i normali diodi no:
Materiali diversi:I LED utilizzano materiali semiconduttori III-V come arseniuro di gallio (GaAs), fosfuro di gallio (GaP), nitruro di gallio (GaN), ecc. Questi materiali hanno una banda proibita diretta, che consente agli elettroni di saltare direttamente e rilasciare fotoni (luce). I diodi ordinari utilizzano solitamente silicio o germanio, che hanno una banda proibita indiretta, e il salto di elettroni avviene principalmente sotto forma di rilascio di energia termica, piuttosto che di luce.
Struttura diversa:La struttura dei LED è progettata per ottimizzare la generazione e l'emissione della luce. I LED solitamente aggiungono droganti specifici e strutture a strati sulla giunzione pn per favorire la generazione e il rilascio di fotoni. I diodi ordinari sono progettati per ottimizzare la funzione di rettifica della corrente e non si concentrano sulla generazione di luce.
Bandgap energetico:Il materiale del LED ha un'energia di grande banda proibita, il che significa che l'energia rilasciata dagli elettroni durante la transizione è sufficientemente elevata da apparire sotto forma di luce. L'energia materiale della banda proibita dei diodi ordinari è piccola e gli elettroni vengono rilasciati principalmente sotto forma di calore durante la transizione.
Meccanismo di luminescenza:Quando la giunzione pn del LED è polarizzata direttamente, gli elettroni si spostano dalla regione n alla regione p, si ricombinano con le lacune e rilasciano energia sotto forma di fotoni per generare luce. Nei diodi ordinari, la ricombinazione di elettroni e lacune avviene principalmente sotto forma di ricombinazione non radiativa, cioè l'energia viene rilasciata sotto forma di calore.
Queste differenze consentono ai LED di emettere luce durante il funzionamento, mentre i normali diodi no.
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Orario di pubblicazione: 01 agosto 2024