Como funciona um LED?
Apesar de serem usados em muitos aspectos da vida moderna, como iluminar nossas casas, alimentar telas de smartphones e direcionar o tráfego, os-diodos emissores de luz (LEDs) diferem das tecnologias de iluminação mais convencionais, como lâmpadas incandescentes ou fluorescentes, devido à sua sofisticada física de semicondutores.LEDsusam um processo conhecido como eletroluminescência, que é a emissão de fótons (partículas de luz) quando uma corrente elétrica flui através de um material semicondutor especialmente fabricado. Isso contrasta com as lâmpadas incandescentes, que produzem luz aquecendo um filamento, ou com as fluorescentes, que usam gás e radiação UV. Devemos primeiro examinar os fundamentos dos semicondutores, o projeto de um LED e o procedimento sequencial que converte eletricidade em luz visível para compreender como isso ocorre.
A Base: Bandas de Energia e Semicondutores
Cada LED é alimentado por um semicondutor, uma substância que conduz eletricidade de maneira pior que os condutores (como o cobre), mas melhor que os isolantes (como o vidro). As bandas de energia dos elétrons-áreas de energia que os elétrons podem ocupar-são essenciais para o comportamento distinto de um semicondutor. Os elétrons têm níveis de energia distintos em todos os materiais, mas nos sólidos esses níveis se combinam para formar duas bandas principais: a banda de condução e a banda de valência.
Os átomos do material são mantidos juntos em uma estrutura cristalina pelos elétrons da banda de valência, que estão firmemente ligados aos átomos. A condutividade elétrica é possibilitada pelos elétrons na banda de condução, que podem fluir livremente através da substância. O band gap, uma faixa de energia que os elétrons não podem habitar, existe entre essas duas bandas. O tamanho do intervalo de banda de um material determina se ele é um isolante, condutor ou semicondutor: os semicondutores têm um intervalo de banda pequeno e mensurável (os elétrons podem cruzar o intervalo com uma pequena entrada de energia, como uma corrente elétrica), os condutores não têm intervalo de banda (os elétrons se movem livremente entre as bandas) e os isoladores têm intervalos de banda muito grandes (tornando difícil para os elétrons saltarem para a banda de condução).
O semicondutor utilizado nos LEDs é o “dopado”, procedimento que modifica as características elétricas do material adicionando vestígios de impurezas. Os semicondutores do tipo n-e do tipo p-são produzidos por dopagem. Quando elementos com elétrons adicionais, como o fósforo, são dopados em semicondutores do tipo N-, eles ficam livres para se mover na banda de condução e dão ao material uma carga líquida negativa. Elementos com menos elétrons, como o boro, são usados para dopar semicondutores do tipo P-. Isto resulta em “buracos”, ou elétrons ausentes na banda de valência, que funcionam como cargas positivas e podem passar através do material à medida que os elétrons os preenchem. Um LED funciona por causa da junção p-n, que é a interseção dessas duas regiões dopadas.
A estrutura do LED: da saída de luz à junção P-N
O design simples e preciso de um LED maximiza a saída de luz e reduz a perda de energia. Sua junção p-n está localizada em uma fina camada de material semicondutor, normalmente à base de gálio-, como arseneto de gálio ou nitreto de gálio. O substrato, material de base que fornece suporte e auxilia na dissipação de calor, é onde essa camada semicondutora é fixada. Isto é importante porque o superaquecimento pode reduzir a vida útil de um LED.
Um eletrodo é conectado à região do tipo p-(o ânodo, um terminal positivo) e o outro à região do tipo n-(o cátodo, um terminal negativo) no topo da camada semicondutora. Um campo elétrico é produzido através da junção p-n quando uma tensão é fornecida através desses eletrodos (sendo o cátodo negativo e o ânodo positivo). Os elétrons livres do semicondutor do tipo n-são empurrados em direção à junção por este campo, enquanto os buracos do semicondutor do tipop-são desenhados na mesma direção.
Para que a luz gerada na junção p-n escape, a camada semicondutora deve ser transparente ou semi-transparente (ou ter uma camada refletora em um lado). ModernoLEDsempregam materiais como o nitreto de gálio (GaN), que são transparentes à luz visível e garantem que a maioria dos fótons alcance a superfície, em contraste com os primeiros LEDs, que frequentemente usavam materiais semicondutores opacos que limitavam a emissão de luz. A junção p-n do semicondutor é onde ocorre o processo de geração de luz-primária, embora alguns LEDs também tenham uma lente ou revestimento para focar a luz ou alterar sua cor.
Etapa 1: usando recombinação-de buraco eletrônico e tensão
Uma tensão externa fornecida aos eletrodos do LED inicia o processo de emissão de luz estabelecendo uma polarização direta, que é a direção adequada do fluxo de corrente para oLIDERADOfuncionar; a polarização reversa, por outro lado, interrompe a corrente e não produz luz. Os elétrons livres da área do tipo n- são acelerados para a região do tipo p-, e os buracos da região do tipo p- são acelerados para a região do tipo n- pelo campo elétrico através da junção p-n quando a polarização direta é aplicada.
Esses elétrons e buracos eventualmente se juntam na junção p-n ou perto dela à medida que viajam na mesma direção. Um elétron livre da banda de condução da área do tipo n- "cai" no buraco quando colide com um buraco da banda de valência da região do tipo p-, mudando de um estado de energia mais alto na banda de condução para um nível de energia mais baixo na banda de valência. O eletrão e o buraco anulam-se durante esta transição, que é conhecida como recombinação, e a energia extra que perdem é emitida como um fotão.
O tamanho do band gap do semicondutor afeta diretamente a energia desse fóton, que dá cor à luz. Um fóton com energia mais alta (e comprimento de onda mais curto, como luz azul ou violeta) é criado quando um elétron se recombina com um buraco e perde mais energia devido a um gap de banda mais amplo. Um fóton com comprimento de onda maior, como luz vermelha ou laranja, e menos energia é produzido por um gap menor.
Por exemplo:
Devido ao seu estreito intervalo de bandas, o arsenieto de gálio (GaAs) emite luz vermelha com um comprimento de onda de cerca de 650 nm. Devido ao seu intervalo de bandas mais amplo, o nitreto de gálio (GaN) emite luz azul ou violeta com um comprimento de onda de cerca de 450 nm.
Os fabricantes podem modificar o band gap para produzir LEDs que geram luz verde, amarela ou até branca, combinando vários materiais semicondutores (como nitreto de gálio e índio ou InGaN) (mais sobre LEDs brancos abaixo).
Passo 2: Eficiência e Extração de Luz
Alguns dos fótons gerados pela recombinação são absorvidos pelo próprio material semicondutor, enquanto outros refletem nos eletrodos ou na junção p-n e são liberados como calor. Nem todos esses fótons saem doLIDERADOcomo luz visível. Os projetistas de LED empregam uma série de estratégias para melhorar a “extração de luz” a fim de otimizar a eficiência:
Substratos transparentes: A maior parte da luz foi capturada pelos substratos opacos (como o germânio) utilizados nos primeiros LEDs. Substratos transparentes, como carboneto de silício ou safira, são usados em LEDs modernos para permitir que os fótons alcancem a superfície.
Superfícies Texturizadas: Para diminuir a quantidade de luz refletida de volta ao material, a superfície do semicondutor é frequentemente gravada com padrões minúsculos, como saliências ou ranhuras. Ao alterar o ângulo em que a luz atinge a superfície, aumenta a probabilidade de que ela escape em vez de ricochetear.
Camadas reflexivas: A parte traseira do semicondutor é coberta por uma fina camada de reflexão, geralmente composta de metal como alumínio ou prata. Esta camada aumenta a quantidade de luz que sai do LED, refletindo fótons que de outra forma seriam perdidos através do substrato de volta para a frente do LED.
Embora muito menos do que com lâmpadas incandescentes, alguma energia ainda é perdida na forma de calor, apesar desses avanços. Apenas 10-25% da energia é perdida como calor nos LED, com 75-90% da energia sendo transformada em luz, em comparação com 90-95% nas lâmpadas incandescentes. Devido à sua excelente eficiência, os LEDs utilizam muito menos energia do que as luzes convencionais.
Como funcionam os LEDs brancos: uma situação única
A maioria dos LEDs emite apenas uma cor, ou luz monocromática, mas os LEDs brancos, que são usados em faróis, TVs e iluminação doméstica, precisam de uma estratégia diferente porque não existe um material semicondutor com um band gap que crie diretamente luz branca. Em vez disso, os LEDs brancos empregam uma das duas técnicas principais:
Conversão de fósforo: um azulLIDERADO(feito de nitreto de gálio) coberto com fósforo amarelo-uma substância que absorve luz de um comprimento de onda e emite luz de outro-é usada na técnica mais popular. O fósforo absorve alguns dos fótons azuis emitidos pelo LED azul e re-emite fótons amarelos. Nossos olhos interpretam os fótons azuis restantes como luz branca, uma vez que se combinam com os fótons amarelos. Os fabricantes adicionam vestígios de fósforo vermelho ou verde ao revestimento para alterar a temperatura da cor, ou “calor” ou “frio”, da luz branca. Por exemplo, adicionar luz azul adicional produz luz branca fria (5.000K–6.500K), enquanto adicionar fósforo vermelho produz luz branca quente (2.700K–3.000K).
Mistura RGB: essa técnica menos popular combina três LEDs diferentes-vermelho, verde e azul-em um único pacote. As três cores se combinam para criar luz branca (ou qualquer outra tonalidade do espectro visível), variando o brilho de cada LED. Embora essa técnica seja mais cara que a conversão de fósforo, ela é empregada em situações que exigem gerenciamento exato de cores, como iluminação de palco ou monitores-de última geração.
As distinções entre LEDs e iluminação convencional
Saber como os LEDs funcionam torna mais fácil ver por que eles têm melhor desempenho do que as lâmpadas fluorescentes e incandescentes em quase todas as categorias:
Eficiência Energética: Os LEDs utilizam eletroluminescência, que é naturalmente eficiente; ao contrário das lâmpadas incandescentes, que gastam energia aquecendo um filamento, as fluorescentes não desperdiçam energia produzindo radiação UV.
Longa vida útil: os LEDs não queimam facilmente porque não possuem partes móveis ou filamentos delicados. Ao contrário das lâmpadas incandescentes, que têm uma vida útil de 1.000 a 2.000 horas, os LEDs têm uma vida útil de 50.000 a 100.000 horas devido à degradação extremamente gradual do material semicondutor ao longo do tempo.
Ligação/desligamento instantâneo: ao contrário das lâmpadas fluorescentes, que requerem alguns segundos para acenderem completamente, os LEDs não têm tempo de aquecimento-e são ativados instantaneamente com brilho total.
Durabilidade: PorqueLEDssão eletrônicos de-estado sólido, eles podem suportar choques, vibrações e altas temperaturas, o que os torna perfeitos para aplicações externas ou ambientes agressivos (como automóveis ou fábricas).
O futuro da tecnologia LED
Novos desenvolvimentos estão a aumentar o potencial da tecnologia LED à medida que investigadores e engenheiros continuam a melhorá-la. Por exemplo:
QLEDs, ou LEDs de pontos quânticos: melhoram o brilho e a precisão das cores usando pontos quânticos, que são pequenas partículas semicondutoras. Pesquisadores estão tentando tornar os QLEDs mais eficientes-em termos de energia para iluminação geral e, atualmente, eles são encontrados em TVs-de última geração.
Micro LEDs: esses LEDs incrivelmente pequenos, com apenas alguns micrômetros de diâmetro, podem ser agrupados em matrizes densas para produzir iluminação flexível ou telas de alta{0}}resolução. Prevê-se que os futuros smartphones e TVs usem micro LEDs em vez de OLEDs devido à sua vida útil mais longa e melhor rendimento.
LEDs de perovskita: em comparação com materiais convencionais à base de gálio-, a perovskita é um novo tipo de material semicondutor cuja produção é mais barata. Os pesquisadores estão tentando aumentar a estabilidade dos LEDs de perovskita para uso comercial, uma vez que eles demonstraram ser promissores no fornecimento de luz brilhante e eficiente.
Para concluir
LEDssão dispositivos muito simples feitos de um semicondutor dopado com uma junção a-n que usa recombinação-de elétrons para transformar energia elétrica em luz. Estão entre as tecnologias de iluminação mais eficazes e adaptáveis alguma vez desenvolvidas, mas a sua simplicidade esconde a complexidade da sua construção, que inclui tudo, desde a engenharia da extracção de luz até à regulação exacta do band gap. Saber como os LED funcionam permite-nos compreender tanto a ciência sofisticada que os sustenta como as suas vantagens úteis (vida útil mais longa, custos de energia mais baratos). À medida que a tecnologia LED se desenvolve, provavelmente contribuirá ainda mais para reduzir o uso global de energia, travar as alterações climáticas e influenciar o design de iluminação no futuro,-demonstrando que por vezes os avanços mais significativos provêm dos princípios científicos mais fundamentais.
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