Il principio luminoso dei LED

Tuttola lampada da lavoro ricaricabile, luce da campeggio portatileEfaro multifunzionaleUtilizzare lampadine a LED. Per comprendere il principio di funzionamento dei diodi LED, è necessario innanzitutto acquisire le conoscenze di base sui semiconduttori. Le proprietà conduttive dei materiali semiconduttori si collocano a metà strada tra quelle dei conduttori e degli isolanti. Le sue caratteristiche uniche sono: quando il semiconduttore viene stimolato da luce e calore esterni, la sua capacità conduttiva cambia significativamente; l'aggiunta di piccole quantità di impurità a un semiconduttore puro aumenta significativamente la sua capacità di condurre elettricità. Il silicio (Si) e il germanio (Ge) sono i semiconduttori più comunemente utilizzati nell'elettronica moderna e i loro elettroni esterni sono quattro. Quando gli atomi di silicio o germanio formano un cristallo, gli atomi adiacenti interagiscono tra loro, in modo che gli elettroni esterni vengano condivisi dai due atomi, formando la struttura del legame covalente nel cristallo, che è una struttura molecolare con scarsa capacità di vincolo. A temperatura ambiente (300 K), l'eccitazione termica fa sì che alcuni elettroni esterni ricevano energia sufficiente per staccarsi dal legame covalente e diventare elettroni liberi; questo processo è chiamato eccitazione intrinseca. Dopo che l'elettrone si è liberato, diventando un elettrone libero, nel legame covalente rimane una lacuna. Questa lacuna è chiamata lacuna. L'aspetto di una lacuna è una caratteristica importante che distingue un semiconduttore da un conduttore.

Quando una piccola quantità di impurità pentavalente, come il fosforo, viene aggiunta al semiconduttore intrinseco, questo avrà un elettrone in più dopo aver formato un legame covalente con altri atomi del semiconduttore. Questo elettrone in più necessita solo di pochissima energia per liberarsi dal legame e diventare un elettrone libero. Questo tipo di semiconduttore con impurità è chiamato semiconduttore elettronico (semiconduttore di tipo N). Tuttavia, aggiungendo una piccola quantità di impurità elementari trivalenti (come il boro, ecc.) al semiconduttore intrinseco, poiché ha solo tre elettroni nello strato esterno, dopo aver formato un legame covalente con gli atomi del semiconduttore circostanti, si creerà una lacuna nel cristallo. Questo tipo di semiconduttore con impurità è chiamato semiconduttore con lacune (semiconduttore di tipo P). Quando semiconduttori di tipo N e di tipo P vengono combinati, si verifica una differenza nella concentrazione di elettroni liberi e lacune alla loro giunzione. Sia gli elettroni che le lacune vengono diffusi verso la concentrazione inferiore, lasciando dietro di sé ioni carichi ma immobili che distruggono la neutralità elettrica originaria delle regioni di tipo N e di tipo P. Queste particelle cariche immobili sono spesso chiamate cariche spaziali e sono concentrate vicino all'interfaccia tra le regioni N e P a formare una regione molto sottile di carica spaziale, nota come giunzione PN.

Quando una tensione di polarizzazione diretta viene applicata a entrambe le estremità della giunzione PN (tensione positiva su un lato del tipo P), le lacune e gli elettroni liberi si muovono l'uno attorno all'altro, creando un campo elettrico interno. Le lacune appena iniettate si ricombinano quindi con gli elettroni liberi, rilasciando talvolta l'energia in eccesso sotto forma di fotoni, che è la luce che vediamo emessa dai LED. Questo spettro è relativamente stretto e, poiché ogni materiale ha un diverso band gap, le lunghezze d'onda dei fotoni emessi sono diverse, quindi i colori dei LED sono determinati dai materiali di base utilizzati.