O que é diodo emissor de luz: funcionamento e suas aplicações

No domínio da tecnologia moderna, uma pequena mas notável inovação iluminou o nosso mundo – o Diodo Emissor de Luz (LED). Esta pequena fonte de luz semicondutora, nascida do gênio criativo de Nick Holonyak em 1962, trouxe uma revolução na iluminação e nos displays. Vamos embarcar em uma jornada para desvendar o funcionamento encantador dos LEDs e explorar suas diversas aplicações.

 

O que é um diodo emissor de luz?

 

O diodo emissor de luz, conhecido como LED, é essencialmente um diodo de junção p-n com dopagem especializada, fabricado a partir de materiais semicondutores exclusivos. Em seu estado polarizado diretamente, ele irradia luz, distinguindo-o como um diodo emissor de luz.

 

Símbolo LED

 

O símbolo do LED se assemelha a um símbolo de diodo padrão com algumas modificações exclusivas. O diferencial é a adição de duas pequenas setas que apontam para longe da junção do diodo, indicando a emissão de luz. Esta modificação significa a capacidade do LED de emitir luz quando polarizado diretamente, um aspecto fundamental que o diferencia dos diodos normais. Além do símbolo modificado, o

 

O símbolo do LED também inclui etiquetas para seus dois terminais: o ânodo (+) e o cátodo (-). Essas etiquetas ajudam engenheiros e técnicos a identificar corretamente a orientação do LED ao incorporá-lo aos circuitos.

 

 

Construção de LED

 

Camada de substrato: A base do LED é um substrato, normalmente feito de materiais como safira ou carboneto de silício. Esta camada fornece suporte mecânico e gerenciamento térmico, garantindo a estabilidade do LED e a dissipação eficiente de calor.

 

Camada tipo N: Sobre o substrato, uma fina camada de material semicondutor tipo N é depositada. Esta camada é rica em elétrons livres, que atuam como portadores de carga. Materiais como nitreto de gálio (GaN) são comumente usados ​​para essa finalidade.

 

Camada ativa: Acima da camada tipo N encontra-se a camada ativa, que desempenha um papel crucial na emissão de luz do LED. Esta camada é muitas vezes feita de múltiplos poços quânticos, camadas extremamente finas que facilitam a recombinação de elétrons e buracos (lacunas carregadas positivamente deixadas quando os elétrons se movem) – um processo que gera fótons de luz.

 

Camada tipo P: A camada ativa é seguida pela camada tipo P, formada por materiais semicondutores com excesso de "buracos", ou vagas carregadas positivamente para onde os elétrons podem se mover. Essa camada facilita a migração dos buracos, o que contribui para o processo de recombinação.

 

Camadas de contato: Camadas de contato metálicas são adicionadas às regiões tipo N e tipo P, servindo como terminais através dos quais a corrente elétrica é injetada no LED. Essas camadas permitem o fluxo controlado de portadores de carga, preparando o terreno para a emissão de luz.

 

Encapsulamento: Para proteger as camadas delicadas dos fatores ambientais e melhorar a extração de luz, o LED é frequentemente encapsulado em uma resina epóxi transparente ou em um material transparente.

 

Como funciona o diodo emissor de luz?

 

Quando uma tensão é aplicada aos terminais do LED – com o ânodo conectado à região do tipo P e o cátodo conectado à região do tipo N – uma polarização direta é estabelecida. Esta polarização permite o fluxo de elétrons da região do tipo N e buracos da região do tipo P para a camada ativa, criando uma zona de recombinação. À medida que elétrons e buracos se recombinam nesta região, a energia é liberada na forma de fótons, produzindo luz visível. 

 

Princípio de funcionamento do LED

A essência operacional do diodo emissor de luz (LED) está enraizada nos princípios da teoria quântica. De acordo com esta teoria, quando um elétron transita de um estado de maior energia para um estado de menor energia, ele emite energia na forma de um fóton. A energia deste fóton está precisamente alinhada com a lacuna de energia existente entre esses dois níveis de energia. Em cenários onde um diodo de junção PN é polarizado diretamente, permitindo uma direção preferencial de fluxo de corrente, uma corrente elétrica é facilitada através do diodo.

 

Fluxo de corrente semicondutora subjacente

 

O fluxo de corrente dentro dos semicondutores está intrinsecamente ligado ao movimento dos portadores de carga, especificamente elétrons e lacunas. Essas entidades se movem em direções contrastantes em relação ao fluxo atual. Consequentemente, um fenômeno denominado recombinação surge como consequência das interações desses portadores de carga.

 

Este processo de recombinação significa a transição de elétrons dentro da banda de condução para a banda de valência. Durante esta transição, à medida que os elétrons saltam de uma banda para outra, eles irradiam energia eletromagnética na forma de fótons. O nível de energia desses fótons se alinha com a lacuna de energia proibida intrínseca ao material.

 

Uma visão quântica

 

Para fins ilustrativos, vamos nos aprofundar no domínio da teoria quântica. A energia transportada por um fóton é função da constante de Planck (h) e da frequência (f) da radiação eletromagnética. Matematicamente, esta relação é expressa como:

 

Equação: E = hf

 

Aqui, h representa a constante de Planck, enquanto c simboliza a velocidade da radiação eletromagnética, igualando à velocidade da luz. A frequência da radiação (f) e a velocidade da luz (c) são conectadas pela equação f = c / λ, onde λ denota o comprimento de onda da radiação eletromagnética. Substituir essas relações na equação resulta em:

 

Equação: E = hc / λ

 

Esta equação ressalta a proporcionalidade inversa entre o comprimento de onda da radiação eletromagnética e a lacuna de energia proibida. Este fenômeno é particularmente pronunciado em materiais como semicondutores de silício e germânio, onde a lacuna proibida entre as bandas de condução e de valência gera radiação principalmente na forma de ondas infravermelhas. Notavelmente, os comprimentos de onda da radiação infravermelha estão além do espectro visível, permanecendo, portanto, invisíveis à percepção humana.

 

Conclusão

 

Assim, este artigo mostra uma visão geral do LED princípio de funcionamento e aplicação do circuito. Espero que ao ler este artigo você tenha obtido algumas informações básicas e funcionais sobre o diodo emissor de luz. Se você quiser adquirir alguma luz LED, pode dar uma chance de Infralumínio.