La forma completa de LED és el díode emissor de llum. Els LED són un tipus especial de díodes semiconductors que emeten llum en resposta a una diferència de potencial aplicada als seus terminals, d'aquí el nom de díode emissor de llum. Igual que un díode normal, els LED també tenen dos terminals amb polaritat, és a dir, ànode i càtode. Per il·luminar un LED s'aplica una diferència de potencial o una tensió als seus terminals d'ànode i càtode.
Avui dia, els LED s'utilitzen àmpliament per a la fabricació de làmpades LED d'última generació. També s'utilitzen popularment per a la fabricació de llums LED decoratives i indicadors LED.
Història breu
Malgrat que els LED es consideren avui un producte de la indústria de semiconductors d'alta tecnologia, la seva propietat il·luminadora es va identificar inicialment fa molts anys. La primera persona que va notar l'efecte de la llum LED va ser un dels enginyers de Marconi, H. J. Round, que també és conegut per diversos invents de tubs de buit i ràdio. Va descobrir això l'any 1907 mentre investigava amb Marconi sobre detectors de cristall de punt de contacte.
El 1907, la revista Electrical World va ser la primera a informar sobre aquests avenços. El concepte LED va romandre inactiu durant diversos anys fins que va ser redescobert el 1922 pel científic rus O.V. Losov.
Losov va residir a Leningrad, on va ser assassinat tràgicament a la Segona Guerra Mundial. És possible que la majoria dels seus dissenys es perdessin a la guerra. Tot i que va presentar un total de quatre patents entre els anys 1927 i 1942, la seva recerca no va ser reconeguda fins després de la seva mort.
El concepte LED va reaparèixer el 1951, quan un grup de científics sota la direcció de K. Lehovec va començar a investigar l'efecte. La investigació va procedir amb la participació d'altres organitzacions i investigadors, entre ells W. Shockley (inventor del transistor). Finalment, el concepte LED va experimentar un refinament important i es va començar a comercialitzar a finals dels anys seixanta.
Quin material semiconductor s'utilitza en una unió LED?
En essència, els díodes emissors de llum són una unió PN especialitzada feta amb un semiconductor compost.
El silici i el germani són els dos semiconductors més utilitzats, però com que només són elements, no es poden fabricar LED.
Per contra, materials com l'arsenur de gal·li, el fosfur de gal·li i el fosfur d'indi que combinen dos o més elements s'utilitzen sovint per fer LED. L'arsenur de gal·li, per exemple, té una valència de tres i l'arsènic té una valència de cinc, i per tant, tots dos es classifiquen com a semiconductors del grup III -V.
Els materials pertanyents al grup III-V també es poden utilitzar per crear altres semiconductors compostos.
Quan una unió semiconductora està polaritzada cap endavant, els forats de la regió de tipus P i els electrons de la regió de tipus N entren a la unió i es combinen, tal com ho farien en un díode normal.
El corrent es mou per la cruïlla d'aquesta manera.
Com a resultat s'allibera energia, algunes de les quals s'emeten com a fotons (llum). Per tal de garantir que l'estructura absorbeixi la menor quantitat de fotons (llum), el costat P de la unió, que produeix la majoria de la llum en la majoria dels casos, es col·loca més a prop de la superfície del dispositiu.
Cal que la unió estigui perfectament optimitzada i s'han d'utilitzar els materials adequats per crear llum visible. La regió infraroja de l'espectre és on l'arsenur de gal·li pur emet la seva energia.
Com els LED obtenen els seus colors
L'alumini s'introdueix al semiconductor per produir arsenur de gal·li d'alumini, que canvia la llum LED a l'extrem vermell brillant de l'espectre (AIGaAs).
També es pot produir llum vermella afegint fòsfor.
S'utilitzen diversos materials per a altres colors LED. Per exemple, el fosfur de gal·li emet llum verda, mentre que la llum groga i taronja és produïda pel fosfur de gal·li d'alumini. La majoria dels LED estan fets de semiconductors de gal·li.
Els LED es fabriquen amb dues estructures
El díode d'emissió superficial i el díode d'emissió de vora, que es veuen a les Figs. 1 A i B, respectivament, són les dues arquitectures principals utilitzades per als LED. El díode d'emissió superficial és el més popular d'ells, ja que produeix llum en un angle més ampli.
Després de la fabricació, l'estructura del LED s'ha de tancar de manera que es pugui utilitzar amb seguretat sense danyar el LED.
La majoria dels petits indicadors LED estan encapsulats en una cola epoxi amb un índex de refracció que es troba entre el del semiconductor i el de l'aire circumdant (vegeu la figura 2 a continuació). Així, el díode està perfectament protegit i la llum es transfereix al món exterior de la manera més eficaç.
Especificació de voltatge directe del LED (VF).
Com que els LED són dispositius sensibles al corrent, la tensió aplicada no ha de superar mai l'especificació mínima de voltatge directe del LED. L'especificació de tensió directa d'un LED (VF) és simplement el nivell de tensió òptim que es pot utilitzar per il·luminar el LED de manera segura i brillant. Si el corrent supera l'especificació de tensió directa del LED, el LED es cremarà i es farà malbé permanentment.
En cas que la tensió d'alimentació sigui superior a la tensió directa del LED, s'utilitza una resistència calculada en sèrie amb l'alimentació per limitar el corrent al LED. Això garanteix que el LED pugui il·luminar-se amb seguretat amb una brillantor òptima.
El valor de la tensió directa de la majoria dels LED actuals és d'uns 3,3 V. Tant si es tracta d'un LED vermell, verd o groc, normalment es poden il·luminar tot aplicant 3,3 V als seus terminals d'ànode i càtode.
La tensió d'alimentació del LED ha de ser DC. També es pot utilitzar una CA, però llavors el LED hauria de tenir connectat un díode rectificador. Això garanteix que el canvi de polaritat de la tensió de CA no provoqui cap dany al LED.
Corrent limitant
Els LED, igual que els díodes normals, no tenen cap limitació de corrent inherent. Com a resultat, si es connecta directament a través d'una bateria, es cremarà.
Si el subministrament de CC és d'uns 3,3 V, el LED no requerirà una resistència limitadora. Tanmateix, si la tensió d'alimentació és superior a 3,3 V, caldrà una resistència en sèrie amb terminal LED.
La resistència es pot connectar en sèrie amb el terminal de l'ànode del LED o amb el terminal del càtode del LED.
Per evitar danys, cal connectar una resistència al circuit per controlar el corrent. Els indicadors LED normals tenen una especificació de corrent màxima d'aproximadament 20 mA; si el corrent es limita per sota d'això, la sortida de llum del LED es reduirà proporcionalment.
Com s'il·lustra a la figura 3 anterior, pot ser que s'hagi de tenir en compte la tensió a través del propi LED mentre s'estima la quantitat de corrent consumida. Perquè si augmenta la tensió el consum de corrent també augmentarà proporcionalment.
La fórmula per calcular la resistència limitadora és la següent:
R = V - LED FWD V / LED actual
- Aquí V representa el subministrament de CC d'entrada.
- LED FWD V és l'especificació de voltatge directe del LED.
- El corrent del LED indica la capacitat màxima de maneig de corrent del LED.
Suposem que V = 12 V, LED FWD V = 3,3 V i corrent LED = 20 mA, aleshores el valor de R es pot resoldre de la següent manera:
R = 12 - 3,3 / 0,02 = 435 ohms, el valor estàndard més proper és de 470 ohms.
La potència serà = 12 - 3,3 x 0,02 = 0,174 watts o simplement un 1/4 watt servirà.
