Il principio di illuminazione del 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 comprendere le nozioni di base sui semiconduttori. Le proprietà conduttive dei materiali semiconduttori si collocano tra quelle dei conduttori e degli isolanti. Le loro caratteristiche peculiari sono: quando un 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 notevolmente la sua capacità di condurre elettricità. Il silicio (Si) e il germanio (Ge) sono i semiconduttori più comunemente utilizzati nell'elettronica moderna e possiedono quattro elettroni esterni. Quando gli atomi di silicio o germanio formano un cristallo, gli atomi vicini interagiscono tra loro, in modo che gli elettroni esterni vengano condivisi dai due atomi, formando una struttura di 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 acquisiscano energia sufficiente per rompere il legame covalente e diventare elettroni liberi; questo processo è chiamato eccitazione intrinseca. Dopo che l'elettrone si libera dal legame covalente, si crea una lacuna. Questa lacuna è chiamata buco. La presenza di un buco è una caratteristica importante che distingue un semiconduttore da un conduttore.

Quando una piccola quantità di impurità pentavalente, come il fosforo, viene aggiunta a un semiconduttore intrinseco, questo avrà un elettrone in più dopo aver formato un legame covalente con altri atomi del semiconduttore. Questo elettrone in più necessita di pochissima energia per rompere il 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 questo 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 a lacune (semiconduttore di tipo P). Quando i semiconduttori di tipo N e di tipo P vengono combinati, si verifica una differenza nella concentrazione di elettroni liberi e lacune nella loro giunzione. Sia gli elettroni che le lacune diffondono verso la regione a minore concentrazione, 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 si concentrano vicino all'interfaccia tra le regioni N e P, formando 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 a un lato della giunzione di tipo P), le lacune e gli elettroni liberi si muovono l'uno intorno 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. Tale 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.