LED: diodi a giunzione p-n, polarizzazione

Dopo l’era delle lampadine a incandescenza, che emettevano luce riscaldando un filamento metallico, si sono diffuse le lampade a risparmio energetico, tra cui quelle alogene, fluorescenti e, più recentemente, quelle a LED. Queste ultime hanno rivoluzionato il modo di illuminare ambienti e dispositivi grazie alla loro elevata efficienza energetica, alla lunga durata e alla possibilità di modulare intensità e colore della luce in modo preciso.

Il LED (Light Emitting Diode) rappresenta un significativo avanzamento tecnologico nel campo dell’illuminazione: a differenza delle lampadine tradizionali, in cui la luce è prodotta principalmente per riscaldamento, nei LED la luce nasce direttamente dal passaggio di corrente attraverso materiali semiconduttori. Questo principio consente non solo un notevole risparmio energetico, ma anche la creazione di fonti luminose compatte, resistenti e personalizzabili in base alle esigenze.

Alla base del funzionamento dei LED ci sono i semiconduttori, materiali che possono essere “dopati” con piccole quantità di impurità per controllarne le proprietà elettriche. Grazie a queste modifiche, è possibile favorire il movimento di elettroni o la formazione di lacune positive, rendendo il materiale adatto a generare luce quando viene attraversato dalla corrente elettrica.

I semiconduttori possono essere dopati con opportuni atomi.

Consideriamo, ad esempio, un reticolo cristallino costituito da germanio. Se ad esso è aggiunto come dopante un elemento con 5 elettroni di valenza questo si inserisce nel reticolo formando 4 legami covalenti con il germanio . Rimane un elettrone non legato che è libero di muoversi. Un tale tipo di semiconduttore è di tipo n

Se, invece, a un semiconduttore è aggiunto un elemento che ha 3 elettroni di valenza esso si inseriscono nel reticolo ma, avendo un elettrone in meno si forma un buco positivo che prende elettroni dagli atomi circostanti in modo da riempire la lacuna elettronica ma creandone un’altra.

In questo caso l’impurità genera livelli energetici vuoti nelle banda di valenza, cioè si ha un certo numero di lacune in assenza di eccitazione termica. Si ha dunque un eccesso di portatori di carica positivi e per questo il semiconduttore si dice di tipo p.

Diodi a giunzione p-n

I LED sono un particolare tipo di diodi a giunzione p-n.

Poiché i semiconduttori di tipo n hanno un’elevata concentrazione di elettroni e i semiconduttori di tipo p hanno un’elevata concentrazione di buchi positivi gli elettroni diffondono dalla zona n alla zona p mentre i buchi positivi diffondono dalla zona p alla zona n.

Si forma così un sottile strato neutro detto regione di svuotamento ( depletion layer) in cui il drogaggio di tipo p si contrappone al drogaggio di tipo n.

Non appena un certo numero di elettroni e di lacune si sono neutralizzate, le cariche fisse determinano una differenza di potenziale che respinge le altre cariche facendole rimanere nella zona di appartenenza: tale tensione è detta barriera di potenziale

La zona di svuotamento darà origine, a sua volta, ad una ddp ( barriera di potenziale) e quindi ad un campo elettrico.

Le giunzioni p-n sono comunemente usate come diodi ovvero dispositivi elettronici che consentono un flusso di corrente in una direzione ma non in quella opposta. Questo risultato può essere ottenuto incrementando o riducendo l’estensione dello strato non conduttivo grazie agli effetti della polarizzazione inversa e della polarizzazione diretta.

Se viene applicata una d.d.p. nella giunzione quest’ultima viene detta polarizzata.

Polarizzazione

La polarizzazione può essere di due tipi: nella polarizzazione inversa le lacune positive sono attratte dal polo negativo della cella esterna e gli elettroni sono attratti dal polo positivo provocando un allargamento della zona di svuotamento fino a che viene impedito il passaggio di corrente attraverso la giunzione.

Nel caso della polarizzazione diretta gli elettroni sono respinti dal polo negativo e si muovono nella regione di svuotamento attraverso la giunzione. Nello stesso tempo i buchi positivi sono respinti dal polo positivo della cella. La regione di svuotamento si assottiglia sempre più fino a scomparire consentendo alla corrente di passare attraverso la giunzione

Nel caso della polarizzazione diretta quindi basta una minima tensione applicata perché si superi la barriera di potenziale. Gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sufficiente sotto forma di fotoni. Essi   hanno una frequenza diversa a seconda dei materiali utilizzati.

La lunghezza d’onda della luce emessa, e quindi il suo colore, corrisponde appunto al divario tra i livelli energetici dei materiali utilizzati per formare la giunzione p-n.

Usi dei LED

I LED, o diodi a emissione luminosa, sono diventati una delle tecnologie più versatili e diffuse nel campo dell’illuminazione e dell’elettronica. La loro popolarità è legata non solo all’elevata efficienza energetica e alla lunga durata, ma anche alle dimensioni compatte, che consentono di integrarli facilmente in una grande varietà di applicazioni.

In ambito domestico e commerciale, i LED hanno rivoluzionato il modo di illuminare case, uffici e negozi. Lampade da soffitto, faretti, luci da incasso e strisce luminose consentono di creare atmosfere personalizzate, modulando intensità e colore della luce. Anche le città hanno beneficiato di questa tecnologia: lampioni stradali e sistemi di illuminazione urbana basati su LED riducono significativamente i consumi energetici rispetto alle lampade tradizionali, garantendo al contempo maggiore durata e visibilità.

Nel settore dei trasporti, i LED trovano impiego nei fari, nelle luci posteriori e negli indicatori di direzione di automobili, moto e mezzi pubblici. La loro rapidità di accensione e la possibilità di modellare forme sottili hanno aperto nuove possibilità per il design dei veicoli, migliorando sia l’estetica sia la sicurezza.

L’elettronica di consumo è un altro ambito in cui i LED hanno avuto un impatto importante. Schermi di televisori, smartphone e monitor sono retroilluminati con LED, mentre dispositivi come orologi digitali e calcolatrici sfruttano questi piccoli componenti come indicatori luminosi. Anche nel settore medico e biotecnologico i LED sono ormai indispensabili: vengono utilizzati per illuminazione chirurgica e diagnostica, nonché per coltivazioni indoor, dove la luce a spettro controllato favorisce la crescita delle piante.

Infine, i LED hanno trovato largo impiego nella comunicazione visiva e nella segnaletica. Cartelloni pubblicitari, schermi per eventi, semafori e segnali stradali sfruttano la loro luminosità e versatilità, mentre installazioni artistiche, scenografie teatrali e illuminazione decorativa per giardini dimostrano come questa tecnologia possa coniugare funzionalità ed estetica.

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