Dopo l'era delle lampadine a incandescenza si sono diffuse quelle cosiddette a risparmio energetico tra cui quelle alogene, quelle fluorescenti e, più recentemente quelle a LED.
Il LED ( Light Emitting Diodes) è un componente elettronico che, al passaggio di una minima quantità di corrente emette luce. Esso rappresenta l'evoluzione dell'illuminazione in cui la generazione della luce è ottenuta mediante semiconduttori.
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.
