Sobre o LED | TCLED


PRINCÍPIO FÍSICO

O fenômeno de emissão de luz é baseado na teoria de bandas, para a qual uma voltagem externa aplicada a uma junção p-n polarizada diretamente, ativa os elétrons de modo que eles são capazes de atravessar a faixa de energia que separa as duas regiões. Se a energia for suficiente os elétrons escapam como fótons.

Cada material semicondutor tem suas características particulares e, assim, um comprimento de onda da luz emitida.

 Ao contrário das lâmpadas incandescentes, cujo funcionamento é uma determinada tensão, os LEDs funcionam conduzidos pela corrente que passa através deles. Sua conexão a uma fonte de tensão constante deve ser protegido por um resistor limitador de corrente.

 

TEORIA DAS BANDAS

Em um átomo isolado os elétrons podem ocupar determinados níveis de energia, mas quando os átomos se combinam para formar um cristal, as interações entre eles modificam sua energia, de modo que cada nível inicial se divide em vários níveis, que constituem uma banda, existindo entre elas lacunas, chamadas bandas de energia proibidas, que só podem guardar os elétrons, se receber energia suficiente. Nos isolantes, a banda inferior, de menos energia (banda de valência) está completa com os elétrons mais internos dos átomos, mas a superior ( banda de condução ) está vazia e separada por uma faixa muito grande ( ~ 10 eV ), impossível de ser atravessada por um elétron. No caso dos condutores, as bandas de condução e de valência se encontrarem sobrepostos, qualquer oferta de energia é suficiente para causar um deslocamento de elétrons.

 Entre os dois casos, encontram-se os semicondutores, cuja estrutura de banda é muito semelhante aos isolantes, mas com a diferença de que a largura do intervalo de banda é muito pequena. Semicondutores são, portanto, isolantes em condições normais, mas um aumento de temperatura fornece energia suficiente para que os elétrons atravessem o intervalo entre as bandas, passando para a banda de condução, deixando a banda de valência com o intervalo correspondente. No caso dos diodos LED, os elétrons conseguem saltar para fora da estrutura em forma de radiação que percebemos como luz (fótons).



COMPOSIÇÃO DOS LEDs

Para obter cores distintas nos diodos LED, são aplicadas diferentes composições que caracterizam cada uma das três cores mais usadas: vermelho, verde e amarelo.

  

LED Vermelho

É formado por GaP, consiste na união p-n, obtida pelo método de crescimento epitaxial de cristal em sua fase líquida sobre um substrato.

A fonte de luz é formada por uma camada de cristal p junto com um complexo de ZnO, cuja concentração máxima está limitada, de modo que o seu brilho é saturado em altas densidades de corrente. Este tipo de LED opera em baixas densidades de corrente proporcionando uma boa luminosidade, é utilizado como monitor para computadores portáteis. O composto GaAsP consiste em uma camada de p obtido por difusão de Zn durante o crescimento de um cristal n de GaAsP formado sobre um substrato de GaAs pelo método de crescimento epitaxial em fase gasosa. Atualmente se utiliza os LEDs de GaAlAs devido à sua maior luminosidade.

A radiação máxima se encontra no comprimento de onda de 660 nm.

 

LED laranja e amarelo

São constituídos por GaAsP como seus irmãos, os vermelhos, mas, neste caso, para obter luz laranja e amarela assim como luz com um comprimento de onda menor, o que se faz é expandir a largura da " banda proibida " mediante o aumento de fósforo no semicondutor.

Seu modo de fabricação é o mesmo utilizado para os LEDs vermelhos, por crescimento epitaxial de cristais na fase gasosa, a formação da junção p-n por difusão de Zn.

Como novidade importante, nestes LEDs se mesclam a área emissora com uma armadilha isoeletrônica de nitrogênio, afim de melhorar o desempenho.

 

Led verde

O LED verde é composto de Gap. O método de crescimento de cristal epitaxial em fase líquida é utilizado para formar a junção p-n. Como os LEDs amarelos, também se utiliza uma armadilha isoeletrônica de nitrogênio para melhorar o desempenho. Uma vez que este tipo de diodo emissor de luz tem uma baixa probabilidade de transição de fotons, é importante melhorar a cristalinidade da camada n. A diminuição de impurezas aumenta o tempo de vida útil.

Sua potência máxima é obtida no comprimento de onda 555 nm.



CRITÉRIOS DE SELEÇÃO


Dimensões e cores do LED

Atualmente, os LEDs têm diferentes tamanhos, formas e cores. São produzidos LEDs redondos, quadrados, retangulares, triangulares e várias formas. As cores básicas são vermelho, verde e azul, mas pode-se encontrar laranjas, amarelos, inclusive um LED de luz branca. As dimensões dos LEDs redondos são 3 mm, 5mm, 10mm e um grande de 20mm. As formas poliédricas, muitas vezes têm dimensões aproximadas de 5x5mm.

 

Ângulo de visão

Esta característica é importante, pois depende do modo de observação do LED, ou seja, o uso prático a que se destina. Quando o LED é pontual, a emissão de luz segue a lei de Lambert, permite um angulo de visão relativamente grande e o seu brilho é visto de todos os ângulos.


Luminosidade

A intensidade de luz no eixo e o brilho do LED estão fortemente relacionados. Se o LED é pontual ou difusor, o brilho é proporcional à superfície de emissão. Se o LED é pontual, o ponto de luz será mais brilhante, porém em uma área bem menor de alcance. Em um difusor o alcance do brilho é superior ao modelo pontual, porém com menor brilho. 


Estrutura de um LED

Existem inúmeros modelos de LEDs disponíveis e sua quantidade aumenta de ano para ano, a medida que seu uso se faz mais específico.

O LED vem equipado com dois terminais correspondentes com cerca de 2 a 2,5 cms de comprimento e seção geralmente quadrada. A parte interna do terminal de cátodo é maior do que no ânodo, isto porque o cátodo é encarregado de manter o substrato de silício, assim, será o responsável de dissipar o calor gerado para o exterior e o terminal de ânodo é conectado ao chip por um fio de ouro fino, o qual praticamente não conduz calor. Vale ressaltar que isso não é desta forma em todos os LEDs, apenas os mais recentes modelos de alto brilho e os primeiros modelos de brilho normal, uma vez que no primeiro LED de alto brilho é invertido. Por isso não é uma boa opção quando se quer identificar o cátodo, apenas observe qual é o de maior superficie. Para isso existem duas maneiras mais convenientes; a primeira e mais segura é para ver qual é o terminal mais curto, esse será sempre o cátodo, não importa qual a tecnologia do LED. A outra é observar a marca plana que também indica o cátodo, a marca plana é um entalhe ou recesso no flange que tem os LEDs. Novamente, isto não é um método que sempre funciona, já que alguns fabricantes não incluem este entalhe e alguns modelos de LEDs são projetados para aplicações onde são utilizados de forma muito ligados.

 

O terminal que sustenta o substrato cumpre outra missão muito importante, a de refletor, já que possui uma forma semicircular ou parabólica, este é um ponto muito crítico na fabricação e design do LED já que uma criação errada pode causar perda considerável de energia ou projeção irregular.


Um LED com excelente foco deve projetar um brilho igual mesmo quando projetado em uma superfície plana. Um LED defeituoso pode ser identificado porque projeta formas que são cópias do substrato e às vezes pode-se ver um anel mais brilhante no exterior do círculo, sintoma claro que a posição do substrato se encontra abaixo do centro do foco do espelho final.

 

Dentro das características ópticas do LED, fora sua luminosidade, está o ângulo de visão. Se define o ângulo de visão como o deslocamento angular da perpendicular, onde a potência de transmissão é reduzida para metade. Dependendo da sua aplicação, será dada a diferentes ângulos de visão, assim são comuns LEDs com 4, 6, 8, 16, 24, 30, 45, 60 e até 90 graus de visão. Geralmente, o ângulo de visão é determinado pelo raio de curvatura do refletor do LED e, principalmente, pelo o raio de curvatura de sua cápsula. Naturalmente quanto menor for o ângulo de visão, maior será a potência de emissão da luz e vice-versa.

 

Outro componente do LED é o stand- off ou separadores, são batentes que têm os terminais e servem para separar os LEDs da placa em aplicações que assim o requerem. Geralmente se for colocar varios LEDs em uma placa é conveniente que não se tenha stand-off, já que desta forma as lâmpadas de LEDs podem apoiar-se sobre a placa. Isto é muito importante nos LEDs com menores ângulos de visão. Por fim temos o encapsulamento de epóxi, que é responsável por proteger os elementos ambientais de semicondutores e como dissemos ajuda a formar o feixe de emissão.



Existem basicamente quatro tipos de encapsulamento se catalogados por cor:


 > Água transparente ou clara (água clara): É usado na emissão de LEDs de alta potência, uma vez que o objetivo destes LEDs é principalmente luz, é importante que estes encapsulados não sejam capazes de absorver de maneira alguma a luz emitida.

> Colorido ou de cor: Semelhante ao anterior, mas colorido com a cor da emissão semelhante ao garrafas de vidro, é usado principalmente em LEDs de média potência e/ou sempre que necessário, identificar a cor do LED ainda desligado.

> Difusa ou difused: Estes LEDs têm uma aparência mais opaca do que o anterior e são coloridos com as respectivas cores de emissão, possuem pequenas partículas suspensas de tamanho microscópico que são responsáveis ​​por desviar a luz, este tipo de cápsula confere muito brilho ao LED, mas lhe aumenta muito o ângulo de visão já que os inúmeros reflexos da luz dentro da cápsula lhe dão um brilho muito parecido em quase todos os ângulos de visão.

> Leitosa ou Milky: Este tipo de cápsula é um tipo difusa, mas sem cores, são amplamente utilizados em LEDs bicolor ou multi-coloridos. O LED bicolor é na verdade um LED duplo com cátodo comum e dois ânodos ( 3 terminais ) ou dois LEDs colocados em oposição ( 2 terminais ). Geralmente, o primeiro caso, com LEDs vermelhos e verdes é o mais comum, embora outras combinações ainda com mais cores.

 

É importante notar que em todos os casos, o substrato do LED é o que determina a cor de emissão e não a cápsula.