Nella nostra vita quotidiana, a parte la calda luce del sole, Le luci a LED sono diventate la principale fonte di illuminazione. Dagli schermi dei cellulari che ci accompagnano in ogni momento all'illuminazione domestica accogliente e confortevole, e poi alle abbaglianti luci al neon che adornano le città di notte, Le luci a LED affascinano le persone con il loro fascino unico. COSÌ, perché esattamente le luci a LED possono emettere luce, e come riescono a visualizzare una gamma così ricca di colori come il bianco, verde, blu, e rosso? Quali misteri scientifici si nascondono dietro questo fenomeno? Approfondiamo ed esploriamo insieme.
Perché i LED possono emettere luce?
Un LED è in realtà un diodo emettitore di luce, che è fatto di materiali semiconduttori. Il principio alla base della capacità di un LED di emettere luce si basa sulla sua struttura unica di bande di energia e sul processo di ricombinazione dei portatori.
I materiali semiconduttori sono cristalli di alta qualità in cui gli atomi sono disposti periodicamente nello spazio. Ogni atomo è costituito da un nucleo carico positivamente e da elettroni carichi negativamente. Poiché un cristallo contiene un gran numero di atomi, questi atomi interagiscono tra loro. Questa interazione periodica forma bande energetiche all'interno del cristallo, e sono presenti numerose bande energetiche. Ciascuna banda di energia fornisce molte posizioni da occupare per gli elettroni, e la distribuzione degli elettroni all'interno di una banda di energia progredisce dalle posizioni di energia più bassa a quelle con energia più alta.
All'interno delle bande energetiche di un cristallo, alcuni sono occupati da elettroni mentre altri no. Tra le bande energetiche occupate, quello con la più alta energia, se solo parzialmente riempito di elettroni, è detta banda di conduzione. Gli elettroni nella banda di conduzione risiedono a livelli energetici relativamente alti e possiedono energia sufficiente per muoversi liberamente, formando così una corrente elettrica. Al contrario, se questa banda di energia è completamente piena di elettroni, si chiama banda di valenza. Gli elettroni nella banda di valenza si trovano a livelli energetici più bassi, e la loro energia è insufficiente per consentire loro di muoversi liberamente. Esiste un certo divario energetico tra la parte superiore della banda di valenza e la parte inferiore della banda di conduzione, noto come bandgap o banda proibita. Gli elettroni non possono risiedere in questa regione, anche se possono attraversarlo.
Quando viene applicata una tensione esterna, alcuni elettroni nella banda di valenza possono essere eccitati nella banda di conduzione, formando portatori di carica che si muovono liberamente. Nel frattempo, nella banda di valenza originariamente completamente occupata, l'assenza di alcuni elettroni lascia posizioni vacanti, che chiameremo buchi. I processi di movimento e ricombinazione di questi portatori di carica all'interno del materiale semiconduttore sono cruciali per ottenere l'emissione di luce.
Un LED è un diodo emettitore di luce, che consiste in una struttura di diodo con una giunzione PN formata combinando semiconduttori di tipo P e di tipo N. Quando mettiamo insieme i semiconduttori di tipo P e di tipo N, anche senza collegarli ad un circuito, alcuni elettroni si diffonderanno dal semiconduttore di tipo N al semiconduttore di tipo P e cadranno nelle lacune del materiale di tipo P. Ciò fa sì che il semiconduttore di tipo P acquisisca una leggera carica negativa, mentre il semiconduttore di tipo N si carica leggermente positivamente, con conseguente formazione di un campo elettrico interno, noto come giunzione PN. All'interno dello svincolo PN, quando gli elettroni incontrano le lacune, gli elettroni nella banda di conduzione salteranno nelle lacune della banda di valenza. Durante questo processo di ricombinazione elettrone-lacuna, l'energia viene rilasciata sotto forma di luce. Questo è il principio fondamentale alla base del modo in cui i LED emettono luce.
Le luci a LED emettono luce di diversi colori
Il livello energetico coinvolto nel processo di emissione della luce è correlato alla struttura a bande energetiche del materiale semiconduttore. Materiali e strutture di bande energetiche diversi danno luogo a lunghezze d'onda e colori di emissione diversi. Nello specifico:
Transizione elettronica e differenza di energia
Quando un elettrone passa da un orbitale a energia più alta a uno a energia più bassa, rilascia energia che si propaga sotto forma di onde elettromagnetiche. La differenza di energia rilasciata durante le transizioni elettroniche varia tra i diversi elementi, corrispondente alla luce di diverse lunghezze d'onda. Maggiore è l'energia, quanto più corta è la lunghezza d'onda. Nello spettro, l'energia richiesta aumenta da sinistra a destra. Questo è il motivo per cui sono stati inventati per primi i LED rossi, poiché richiedono la minima quantità di energia, seguito dal verde, e poi blu. Questo è anche il motivo per cui l’invenzione dei LED blu è stata impegnativa, poiché la luce blu richiede più energia.
Lunghezze d'onda di 400-500 i nanometri corrispondono alla luce blu, 500-600 nanometri al semaforo verde, E 600-700 nanometri alla luce rossa.
Selezione dei materiali e controllo del colore
La giunzione PN all'interno di un LED è generalmente composta da composti come fosfuro arseniuro di gallio. Quando vengono utilizzati materiali diversi, le lunghezze d'onda della luce emessa durante l'elettrificazione variano. Perciò, semplicemente cambiando il materiale della giunzione PN interna, possono essere prodotti diodi emettitori di luce di diversi colori.
LED blu: Quando il nitruro di gallio viene utilizzato come materiale semiconduttore, l'energia di transizione elettronica è relativamente alta, rilasciando luce con una lunghezza d'onda di circa 460 nanometri, che appare blu. Questo è il principio alla base dell'emissione dei LED blu.
LED verde: Quando viene utilizzato il fosfuro di gallio, la luce emessa ha una lunghezza d'onda di circa 560 nanometri, presentando un colore verde. Questo spiega il meccanismo di emissione dei LED verdi.
LED rosso: Arseniuro di gallio, d'altra parte, emette luce con una lunghezza d'onda di circa 660 nanometri, apparendo rosso. Questo è il principio alla base dell'emissione dei LED rossi.
Per produrre luce bianca con LED, noti anche come LED bianchi, sono necessari progetti aggiuntivi. Un metodo prevede la combinazione di diodi emettitori di luce di diversi colori per creare un effetto di luce bianca. Un altro approccio utilizza un LED blu rivestito di fosforo. La luce blu emessa dal LED illumina il fosforo, convertendo una porzione della luce blu in altri colori di luce. L'effetto finale appare come luce bianca.
Attraverso l'introduzione dettagliata di cui sopra sul principio di emissione della luce dei LED e sui meccanismi dietro la loro emissione di diversi colori, Credo che ora tutti abbiano una comprensione più profonda dei LED. Con continui progressi tecnologici, le applicazioni dei LED in diversi campi come quello dell'illuminazione e dei display diventeranno ancora più diffuse e notevoli.
