FESP - Faculdade de Engenharia de So Paulo
LED LIGHT EMITTER DIODE
1 - Introduo
O LED - light emitter diode ou diodo emissor de luz, como o
prprio nome j diz, um diodo (juno P-N) que quando energizado emite
luz visvel.
A luz produzida pelo led monocromtica e causada pelas interaes
energticas do eltron. O processo de emisso de luz pela aplicao de
uma fonte eltrica de energia chamado "eletroluminescncia", processo
que estar mais detalhado no Item Composio
Em qualquer juno P-N polarizada diretamente, dentro da
estrutura, prximo juno, ocorrem recombinaes de lacunas e eltrons.
Essa recombinao exige que a energia possuda por esse eltron, que at
ento era livre, seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou de
luz.
J em outros materiais, como o arseneto de glio (GaAs) ou o
fosfeto de glio (GaP), tem como propriedade, emitir um nmero de
ftons de luz suficiente para constituir fontes de luz
significantes, sejam elas visveis ou no (infravermelho ou
ultravioleta), o que constitui de maneira resumida os LEDs.
Princpio de Funcionamento
De um modo geral, o LED (Diodo Emissor de Luz) consiste em um
cristal com juno PN. Quando ocorrer uma polarizao direta, movem-se
os eltrons da regio N em direo s lacunas da regio P. Desta maneira
h uma recombinao (eltrons livres + lacunas) ocasionando uma liberao
de energia, Essa recombinao exige que a energia possuda por esse
eltron, que at ento era livre, seja liberado, o que ocorre na forma
de calor ou ftons de luz. A luz monocromtica e produzida pelas
interaes energticas do eltron. O processo de emisso de luz pela
aplicao de uma fonte eltrica de energia chamado
"eletroluminescncia", conforme a ilustrao ao lado.
O material dopante de uma rea do semicondutor contm tomos com um
eltron a menos na banda de valncia em relao ao material
semicondutor. Na ligao, os ons desse material dopante (ons
"aceitadores") removem eltrons de valncia do semicondutor, deixando
"lacunas", portanto, o semicondutor torna-se do tipo P. Na outra
rea do semicondutor, o material dopante contm tomos com um eltron a
mais do que o semicondutor puro em sua faixa de valncia. Portanto,
na ligao esse eltron fica disponvel sob a forma de eltron livre,
formando o semicondutor do tipo N.
Na regio de contato das duas reas, eltrons e lacunas se
recombinam, criando uma fina camada isenta de portadores de carga,
a chamada barreira de potencial, onde temos apenas os ons
"doadores" da regio N e os ons "aceitadores" da regio P, que por no
apresentarem portadores de carga "isolam" as demais lacunas do
material P dos outros eltrons livres do material N.
Um eltron livre ou uma lacuna s pode atravessar a barreira de
potencial mediante a aplicao de energia externa (polarizao direta
da juno). Aqui preciso ressaltar um fato fsico do semicondutor:
nesses materiais, os eltrons s podem assumir determinados nveis de
energia (nveis discretizados), sendo as bandas de valncia e de
conduo as de maiores nveis energticos para os eltrons ocuparem.
A regio compreendida entre o topo da de valncia e a parte
inferior da de conduo a chamada "banda proibida". Se o material
semicondutor for puro, no ter eltrons nessa banda (da ser chamada
"proibida"). A recombinao entre eltrons e lacunas, que ocorre
depois de vencida a barreira de potencial, pode acontecer na banda
de valncia ou na proibida. A possibilidade dessa recombinao ocorrer
na banda proibida se deve criao de estados eletrnicos de energia
nessa rea pela introduo de outras impurezas no material.
Como a recombinao ocorre mais facilmente no nvel de energia mais
prximo da banda de conduo, pode-se escolher adequadamente as
impurezas para a confeco dos leds, de modo a exibirem bandas
adequadas para a emisso da cor de luz desejada (comprimento de onda
especfico).
Composio de um LED
No silcio e no germnio, que so bsicos nos diodos e transistores,
entre outros componentes eletrnicos, a maior parte da energia
liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida, e
os componentes que trabalham com maior capacidade de corrente
chegam a precisar de irradiadores de calor (dissipadores) para
ajudar na manuteno dessa temperatura em um patamar tolervel.
J em outros materiais, como o arsenieto de glio (GaAs) ou o
fosfeto de glio (GaP), o nmero de ftons de luz emitido suficiente
para constituir fontes de luz bastante visveis.
Os materiais para um diodo emissor de luz (LED) em espectros
visveis (400 700 nm) so semicondutores com badgaps entre 1,8 e 3,1
eV.
Organizados para permitir efetivas recombinaes, os materiais
devem ter transio e banda para banda ou permitir outras linhas de
recombinaes com alta eficincia.
A luz emitida monocromtica, sendo a cor, portanto, dependente do
cristal e da impureza de dopagem com que o componente fabricado. O
led que utiliza o arseneto de glio emite radiaes infra-vermelhas.
Dopando-se com fsforo, a emisso pode ser vermelha ou amarela, de
acordo com a concentrao. Utilizando-se fosfeto de glio com dopagem
de nitrognio, a luz emitida pode ser verde ou amarela.
Como um requisito adicional, os materiais devem permitir a
fabricao em forma de monocristais e a tecnologia desenvolvida deve
estar disponvel para os procedimentos. A combinao dos elementos do
grupo III e V do sistema de elementos peridicos resulta em
semicondutncia composta por bandgaps entre 0,18 e aproximadamente 6
eV.
Por toda composio a bandgap dada em eV. Os semicondutores
diretos so denotados por um asterisco, encontramos a maioria deles
no grupo III nitratos GaN e InN. Esses nitratos sero substitudos
por materiais de silicone, dentro de poucos anos.
O arseneto de glio tem uma bandgap direta de 1,42 eV e no
somente importante para o LED, mas tambm significante material
substrato.
Composto de III-V podem formar cristais com propriedades entre
compostos binrios. Os mais importantes sistemas de cristais
misturados, dizendo respeito LED so GaAs-AlAs, GaAs-GaP,
InP-GaP-AlP.
A bandgap e a constante de Lattice de Gal-xAlxAs e GaAsl-xPx
esto apresentados na figura4. A regio direta mostrada como uma
linha slida e a regio indireta como uma linha sombreada.
Acima de x=0,44 (bandgap 1,96 eV), Gal-xAlxAs direto e a
constante de Lattice muda s levemente sobre o limite inteiro da
mistura. A mais alta bandgap direta para GaAsl-xPx 1,99 eV (
x=0,45). Na regio indireta de GaAsl-xPx, a eficincia da recombinao
brilhante pode ser aumentada consideravelmente por dopagem com
nitrognio (centro isoeletrnico). Isso reduz a bandgap efetiva em
aproximadamente 0,06 eV (segunda linha sombreada)
As bandgaps requisitadas para o LED colorido comum esto marcados
no topo da figura 4. Considerando que a emisso vermelha pode ser
conseguido com Ga0,6Al0,4As ou GaAs0,6P0,4 (ambos diretos) e
indiretamente GaAll-xPx: N usada para outras cores.
Na figura 5, as bandgaps e a constante de Lattice do InGaAlP
esto expostos. No diagrama os compostos binrios so apresentados
como pontos, compostos ternrios como linhas e quaternrios como
cristais misturados InGaAlP como reas sombreadas.
Os cristais binrios InP, GaP e AlP formam os apecies.
Sua caracterstica o resultado de uma complexa estrutura de banda
e a transio da regio direta para a indireta e vice versa. O
diagrama apresenta que as composies de InGaAlP so diretas e que
cristais misturados so Lattice igualado para fornecer o material
substrato.
fig 3.3
Ambos so necessrios pr-requisitos para a fabricao de um LED com
brilho particular.
A linha vertical sombreada atrai atravs da regio direta da
bandgap, mostra que a composio extremamente a Lattice igualada e
pode ser fabricada no substrato de GaAs. A notao corresponde
In0,5(GaxAl1-x) 0,5P fornece a proporo de quantidade de tomos no
cristal Lattice.
A bandgap direta se a concentrao de alumnio estiver abaixo de
x=0,7. A regio espectral de vermelho por laranja e amarelo para
verde pode ser apontada pela variao de x em InGaAlP.
Extremamente eficiente a alta luminescncia para o laranja e
amarelo so obtidos em dupla heteroestrutura de InGaAlP situada no
refletor Bragg do substrato de GaAs.
As figuras abaixo mostram duas estruturas com substratos de
GaAs, figura 3.4, vermelho padro e figura 3.5, DH-red.
O vermelho padro consiste da GaAs0,6P0,4 que foi depositada com
uma camada de proteo GaAs1-xPx em substrato n-GaAs pro epitaxy em
estado de vapor. O elemento fabricado num processo planar com
difuso de Zn oculto. O substrato opaco, neste caso. Isso significa
que o posterior contato pode ser fornecido sobre a rea
completa.
O elemento DH-red (vermelho) consiste em trs camadas de
epitaxial no substrato p-GaAs. A camada ativa com 35% Al-satisfeito
fabricado entre duas camadas de Gal-xAlxAs de > 60%
Al-satisfeito.
Outros Leds padres esto apresentados nas figuras 3.6 e 3.7, o
chip para laranja e amarelo so similar ao tipo vermelho padro.
Devido grande quantidade de P, 0,6 ou 0,85, os materiais so
depositados com apropriada camada de proteo no substrato com GaP e
um refletivo contato posterior apresentado.
O elemento verde consiste inteiramente de GaP e pode portanto
ser construdo com epitaxy em estado liqudo.
O aumento da juno PN dividido por gravura mesa nesse exemplo,
para permitir medies de chips individuais no wafer.
Um novo tipo de LED para aplicaes onde a particularidade de alto
brilho requisito e apresentado na figura 10. A estrutura similar ao
do elemento DH-red. Uma dupla heteroestrutura preparada num
substrato GaAs de absoro de luz. A combinao do refletor Bragg entre
o substrato e um efeito de camada de janela de estrutura DH, a
eficincia de luminescncia extremamente alta nesse tipo de LED.
fig 3.8
Caractersticas tcnicas
Principias tipos de LED:
Em geral, os leds operam com nvel de tenso de 1,6 a 3,3V, sendo
compatveis com os circuitos de estado slido. A potncia necessria
est na faixa tpica de 10 a 150 mW, com um tempo de vida til de
100.000 ou mais horas.
Como o led um dispositivo de juno P-N, sua caracterstica de
polarizao direta semelhante de um diodo semicondutor. Sendo
polarizado, a maioria dos fabricantes adota um "cdigo" de
identificao para a determinao externa dos terminais A (anodo) e K
(ctodo) dos leds.
Nos leds redondos, como na figura ao lado, duas codificaes so
comuns: identifica-se o terminal K como sendo aquele junto a um
pequeno chanfro na lateral da base circular do seu invlucro
("corpo"), ou por ser o terminal mais curto dos dois. Existem
fabricantes que adotam simultaneamente as duas formas de
identificao.
Nos leds retangulares, alguns fabricantes marcam o terminal K
com um pequeno "alargamento" do terminal junto base do componente,
ou ento deixam esse terminal mais curto.
Mas, pode acontecer do componente no trazer qualquer referncia
externa de identificao dos terminais. Nesse caso, se o invlucro for
semi-transparente, pode-se identificar o catodo (K) como sendo o
terminal que contm o eletrodo interno mais largo do que o eletrodo
do outro terminal (anodo). Alm de mais largo, s vezes o catodo mais
baixo do que o anodo.
O terminal comum pode corresponder interligao dos anodos das
junes (leds bicolores em "anodo comum") ou dos seus catodos (leds
bicolores em "catodo comum").
Embora normalmente seja tratado por led bicolor
(vermelho+verde), esse tipo de led na realidade um "tricolor", j
que alm das duas cores independentes, cada qual gerada em uma juno,
essas duas junes podem ser simultaneamente polarizadas, resultando
na emisso de luz alaranjada.
Como o diodo, o led no pode receber tenso diretamente entre seus
terminais,uma vez que a corrente deve ser limitada para que a juno
no seja danificada. Assim, o uso de um resistor limitador em srie
com o led comum nos circuitos que o utilizam.
Tipicamente, os leds grandes (de aproximadamente 5 mm de
dimetro, quando redondos) trabalham com correntes da ordem de 12 a
20 mA e os pequenos (com aproximadamente 3 mm de dimetro) operam
com a metade desse valor (de 6 a 10 mA).
Os leds no suportam tenso reversa (Vr) de valor significativo,
podendo danificar-se com apenas 5V de tenso nesse sentido. Por
isso, quando alimentado por tenso C.A., o led costuma ser
acompanhado de um diodo retificador em anti-paralelo, com a
finalidade de conduzir os semi-ciclos nos quais ele - led - fica no
corte, limitando essa tenso reversa em torno de 0,7V (tenso direta
mxima do diodo), ou seja, em um valor suficientemente baixo para
que sua juno no se danifique.
Eletricamente, Leds so meros diodos PN (exceto pelo SiC). O mais
importante parmetro para operao normal a tenso Vf (tabela 1,
terceira coluna da direita) onde o valor numrico em V (volts)
corresponde aproximadamente ao bandgap do semicondutor usado.
fig 4.2
A velocidade do Led caracterizada pelo seu tempo de chaveamento,
enquanto tipos indiretos so consideravelmente mais devagar devido
ao especial mecanismo de recombinaes.
Geralmente LEDs so robustos e seu tempo de vida (aproximadamente
105 horas) so mais eficientes para praticamente todas as
aplicaes.
Devido ao rpido aumento de corrente em sua direo, leds so sempre
conectados em um elemento limitador de corrente. Na figura ao lado
apresentamos o ponto de trabalho, sendo utilizado em resistor em
srie ao led.
Dimensionamento reduzido, permitindo maior grau de miniaturizao,
alm do que apresentam maior robustez mecnica, em relao lmpada com
filamento.
Aplicaes e Curiosidades
Geralmente, os leds so utilizados em substituio s lmpadas de
sinalizao ou lmpadas pilotos nos painis dos instrumentos e
aparelhos diversos. Para fixao nesses painis, comum o uso de
suportes plsticos com rosca.
A maioria dos Lasers comerciais de hoje, at mesmo os lasers
disponveis em qualquer trabalhador do mercado ambulante composta
por um led.
Os diodos emissores de luz so empregados tambm na construo dos
displays alfa-numricos (figura ao lado).
As pesquisas com led, existem em laboratrios desde o incio dos
anos 60, mas sua utilizao s comeou a se tornar popular a partir de
70.
Abaixo est o exemplo de um dos primeiros leds de radiao visvel,
o monsanto mv2, criado pela Monsanto para a HP.
Antigamente os Leds no tinham muitas aplicaes, apenas em
displays, onde o brilho no era importante, mas nos ltimos tempos, o
led tem se tornado cada vez mais, uma fonte confivel de luz, com
brilho, intensidade e comprimentos de onda exatos para cada aplicao
e esto sendo cada vez mais utilizados para iluminao de
ambientes.
Sem contar as outras diversas aplicaes em que o led fundamental,
como controles remotos (leds infravermelhos), Lasers (diversos
tipos de led) aplicados na medicina, na indstria, sinalizaes em
geral, monitores, etc.
Bibliografia
Livros e Catlogos
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TELEFUNKEN Microelectronic GmbH, Leds and Displays Data Book
[s.n.], 1996
COELMA Tecnologia Siemens, Optoeletrnica - Catlogo resumido
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OPTO Technology, Inc, OptoEletronics Data Book
SEDRA, SMITH, Microeletrnica 4a Ed. Ed. Makron Books, [s.
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Consultas Eletrnicas
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