Como um LED produz luz em um circuito elétrico?

Como um LED produz luz em um circuito elétrico?

Como um fornecedor elétrico experiente, testemunhei em primeira mão o impacto revolucionário dos diodos emissores de luz (LEDs) no mercado elétrico. Os LEDs transformaram a maneira como iluminamos nosso mundo, oferecendo energia - soluções de iluminação eficientes, duradouras e versáteis. Mas você já se perguntou como esses pequenos dispositivos produzem luz dentro de um circuito elétrico? Neste blog, nos aprofundaremos na fascinante ciência por trás da produção de luzes LED.

O básico dos diodos

Para entender como um LED funciona, primeiro precisamos entender o conceito de um diodo. Um diodo é um dispositivo semicondutor que permite que a corrente flua apenas em uma direção. Possui dois terminais: um ânodo (positivo) e um cátodo (negativo). A estrutura básica de um diodo consiste em semicondutor do tipo AP e um semicondutor do tipo N unido.

No semicondutor do tipo AP, existem "orifícios" ou portadores de carga positiva. Esses orifícios são criados adicionando impurezas ao material semicondutor que possui menos elétrons do que os átomos no semicondutor base. Por outro lado, um semicondutor do tipo n - tem um excesso de elétrons, graças a impurezas com mais elétrons do que o material base.

Quando AP - tipo e um semicondutor do tipo N são colocados em contato, uma região de depleção se forma na junção. Nesta região, os elétrons do lateral do tipo N se difundem no lado do tipo P, preenchendo os orifícios. Isso cria uma região com poucos portadores de carga, agindo como uma barreira ao fluxo de corrente em condições normais.

Encaminhar um LED

Para um LED para produzir luz, ele precisa ser para a frente - tendencioso. O viés de encaminhamento significa aplicar uma tensão positiva ao ânodo e uma tensão negativa ao cátodo. Quando uma tensão direta suficiente é aplicada através do LED, supera a barreira potencial da região de depleção.

A tensão aplicada empurra os elétrons do semicondutor do tipo n -tipo em direção ao semicondutor do tipo P e os orifícios do tipo P em direção ao tipo n. À medida que os elétrons e os orifícios se encontram no cruzamento, eles se recombinam.

Recombinação de elétrons - orifícios e emissão de luz

A chave para a produção de luz em um LED está no processo de recombinação de elétrons - orifícios. Quando um elétron cai em um orifício durante a recombinação, ele se move de um nível de energia mais alto para um nível de energia mais baixo. De acordo com as leis da mecânica quântica, o excesso de energia do elétron é liberado na forma de um fóton.

A energia do fóton determina seu comprimento de onda, que por sua vez determina a cor da luz. Diferentes materiais semicondutores são usados ​​para produzir LEDs de cores diferentes. Por exemplo, o fosfeto de arseneto de gálio (GAASP) pode ser usado para produzir LEDs vermelhos e amarelos, enquanto o nitreto de gálio do índio (InGan) é comumente usado para LEDs azuis e verdes.

A cor da luz emitida por um LED está diretamente relacionada ao bandGap de energia do material semicondutor. O Energy BandGap é a diferença de energia entre a banda de valência (onde os orifícios estão localizados) e a banda de condução (onde os elétrons estão localizados). Um bandGAP maior resulta na emissão de fótons com maior energia, correspondendo a comprimentos de onda mais curtos (como luz azul ou violeta). Por outro lado, um desgaste menor leva à emissão de fótons com menor energia e comprimentos de onda mais longos (como a luz vermelha).

O papel da corrente elétrica

A quantidade de luz produzida por um LED é diretamente proporcional à corrente elétrica que flui através dela. À medida que mais corrente passa pelo LED, mais elétrons e orifícios recombinam na junção, resultando na emissão de mais fótons e uma luz mais brilhante.

No entanto, é importante observar que há um limite para a quantidade de corrente que um LED pode lidar. Exceder esse limite pode causar superaquecimento e, eventualmente, falhar. É por isso que os resistores atuais - limitadores são frequentemente usados ​​em circuitos LED. Um resistor limitante de corrente é conectado em série com o LED para controlar a quantidade de corrente que flui através dele e protege o LED de danos.

A eficiência dos LEDs

Uma das principais vantagens dos LEDs sobre luzes incandescentes e fluorescentes tradicionais é sua alta eficiência. As lâmpadas incandescentes produzem luz aquecendo um filamento até que ela brilha. No entanto, uma grande parte da energia consumida por uma lâmpada incandescente é desperdiçada como calor. As luzes fluorescentes são mais eficientes que as lâmpadas incandescentes, mas ainda têm algumas perdas de energia devido à conversão de energia elétrica em luz ultravioleta e depois à luz visível.

Os LEDs, por outro lado, convertem uma porcentagem muito maior de energia elétrica diretamente em luz. Isso ocorre porque o processo de recombinação de elétrons - orifícios é uma maneira muito eficiente de produzir luz. A alta eficiência dos LEDs não apenas economiza energia, mas também reduz a quantidade de calor gerado, o que é benéfico para a vida útil do LED e o consumo geral de energia do sistema de iluminação.

Aplicações de LEDs

As propriedades exclusivas dos LEDs levaram ao seu amplo uso em várias aplicações. Na indústria automotiva, os LEDs são usados ​​para faróis, luzes traseiras e iluminação interior. Eles oferecem melhor visibilidade, vida útil mais longa e menor consumo de energia em comparação com os sistemas de iluminação automotiva tradicionais.

No setor de eletrônicos de consumo, os LEDs são usados ​​em displays, como os de smartphones, tablets e televisões. A capacidade de produzir cores diferentes e luz de alta intensidade torna os LEDs ideais para criar telas vívidas e de energia - eficientes.

No campo da iluminação geral, os LEDs estão substituindo rapidamente fontes de luz tradicionais. Eles são usados ​​em casas, escritórios, ruas e edifícios públicos. Sua longa vida útil significa substituição menos frequente, e sua eficiência energética resulta em uma economia significativa de custos ao longo do tempo.

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Referências

• Streetman, BG, & Banerjee, S. (2006). Dispositivos eletrônicos de estado sólido. Prentice Hall.
• Sze, SM, & Ng, KK (2007). Física de dispositivos semicondutores. Wiley - Intersciência.