Principio fisico
O fenomeno de emisão de luz está baseado na teoria de bandas, pelo qual, uma tensão externa aplicada a uma união p-n polarizada diretamente, excita os electrões, de maneira que são capazes de atravessar a banda de energia que separa as duas regiões. Se a energia é suficiente os electrões escapam-se do material em forma de fotões.
Cada material semi-condutor tem umas determinadas caracteristicas e por tanto uma longitude de onda de luz emitida.
A diferença das lâmpadas de incandescencia cujo funcionamento é por uma determinada tensão, os Led funcionam pela corrente que os atravessa. A conexão a uma fonte de tensão constante deve estar protegida por uma resistência limitadora.
Teoria de bandas
Num átomo isolado os electrões podem ocupar determinados niveis energéticos mas quando os átomos unem-se para formar um vidro, as interações entre eles alteram a sua energia, de tal maneira que cada nivel inicial desdobra-se em muitos niveis, que constitui uma banda, existe entre elas orificios, chamados bandas energéticas proibidas, que só podem salvar os electrões em caso de lhes ser fornecida a energia suficiente. Nos isolantes a banda inferior menos energética (banda de valencia) está completa com os 2- mais internos dos átomos, mas a superior (banda de condução) está vazia e separada por uma banda proibida muito larga (~10 eV), impossivel de atravessar por um e-. No caso dos condutores as bandas de condução e de valencia encontram-se super-postas, pelo que qualquer contribuição de energia é suficiente para produzir uma descolocação dos electrões.
Entre ambos casos encontram-se os semi-condutores, cuja estrutura de bandas é muito semelhante aos isolantes, mas com a diferença de que a largura da banda proibida é bastante pequena. Os semi-condutores são, por tanto, isolantes em condições normais, mas uma elevação de temperatura proporcionam a suficiente energia aos electrões para que, saltando a banda proibida, passem à de condução, deixando na banda de valencia o orificio correspondente.
No caso dos diodos Led os electrões conseguem saltar fora da estrutura em forma de radiação que vemos como luz (fotões).
Composição dos Leds
Para obter cores diferentes nos diodos LED aplicam-se diferentes composições, a continuação vamos fazer uma breve descrição de algumas das diferentes possibilidades. Vamos descrever a composição que caracteriza a cada uma das três cores mais utilizadas: o vermelho, verde e o amarelo.
Led Vermelho
Formato por GaP consiste numa união p-n obtida pelo metodo de crescimento epitaxial do vidro na sua fase liquida, num substrato.
A fonte luminosa está formada por uma capa de vidro p junto com um complexo de ZnO, cuja maxima concentração está limitada, pelo que a sua luminosidade satura-se a altas densidades de corrente. Este tipo de Led funciona com baixa densidade de corrente oferecendo uma boa luminosidade, utilizando-se como dispositivo de visualização em equipamentos portáteis. O constituido por GaAsP consiste numa capa p obtida por difusão de Zn durante o crescimento de um vidro n de GaAsP, formado num substrato de GaAs, pelo metodo de crescimento epitaxial em fase gaseosa. Atualmente utilizam-se os Led de GaAIAs devido à sua maior luminosidade.
O maximo de radiação encontra-se na longitude de onda 660 nm.
Led alaranjado e amarelo
Estão compostos por GaAsP ao igual que os seus irmãos os vermelhos mas neste caso para conseguir luz alaranjada e amarela assim como luz de longitude de onda mais pequena, o que fazemos é aumentar a largura da «banda proibida» atraves do aumento de fósforo no semi-condutor.
A sua fabricação é a mesma que se utiliza para os diodos vermelhos, por crescimento epitaxial do vidro em fase gaseosa, a formação da união p-n realiza-se por difusão de Zn.
Como novidade importante nestes Leds mistura-se na area emisora com uma armadilha isoelectronica de nitrogênio com o fim de melhorar o rendimento.
Led Verde
O Led verde está composto por GaP. Utiliza-se o metodo de crescimento epitaxial do vidro em fase liquida para formar a união p-n. Ao igual que os Leds amarelos, tambem utiliza-se uma armadilha isoelectronica de nitrogênio para melhorar o rendimento. Devido a que este tipo de Led possui uma baixa probabilidade de transição fotonica, é importante melhorar a cristalinidade da capa n. A disminuição de impurezas prolonga a vida dos portadores, melhorando a cristalinidade.
A maxima emisão consegue-se na longitude de onda 555 nm.
Critérios de eleição
Dimensões e cor do diodo
Atualmente os Leds têm diferentes tamanhos, formas e cores. Temos Leds redondos, quadrados, rectângulares, triângulares e com diferentes formas. As cores basicas são vermelho, verde e azul, embora possamos encontrá-los laranjas, amarelos inclusive há um led de luz branca. As dimensões nos Led redondos são 3mm, 5mm, 10mm e um gigante de 20mm. Os de formas poliédricas normalmente têm umas dimensões aproximadas de 5x5mm.
Ângulo de vista
Estas caracteristicas é importante, pois dela depende do modo de observação do Led, quer dizer, a utilização pratica de aparelho realizado. Quando o Led é pontual a emisão de luz segue a lei de Lambert, permite ter um ângulo de vista relativamente grande e o ponto luminoso vê-se em todos os ângulos.
Luminosidade
A intensidade luminosa no eixo e o brilho estão intensamente relacionados. Tanto se o Led é pontual ou difusor, o brilho é proporcional à superficie de emisão. Se o Led é pontual, o ponto será mais brilhante, ao ser uma superficie demasiado pequena. Num difusor a intensidade no eixo é superior ao modelo pontual.
Estrutura de um Led
Existem muitos encapsulados disponiveis para os Leds e a sua quantidade incrementa-se de ano em ano à medida que as aplicações dos leds fazem-se mais especificas.
Por agora paramos de estudar as partes constutivas de um led atraves da seguinte imagem na qual representa talvez o encapsulado mais popular dos leds que é o T1 ¾ de 5mm de diâmetro.
Como vemos o led é fornecido de dois terminais correspondentes que têm aproximadamente 2 a 2,5 cm de largo e secção geralmente de forma quadrada. No esquema podemos observar que a parte interna do terminal do câtodo é mais grande que o ânodo, isto é porque o câtodo está encargado de fixar o silicio, por tanto será este terminal o encargado de dissipar o calor produzido até ao exterior já que o teminal do ânodo conecta-se ao chip por um fino fio de ouro, no quual praticamente não conduz calor. É de ver que isto não é assim em todos os leds, só nos ultimos modelos de alto brilho e nos primeiros modelos de brilho standard, já que nos primeiros led de alto brilho é ao contrario. Por isso não é boa politica na hora de ter que identificar o câtodo, observando qual é o de maior superficie. Para isso existem duas formas mais convenientes, a primeira e mais segura é de ver qual é o terminal mais curto, esse é sempre o câtodo não importa que tecnologia seja o led. A outra é observar a marca plana que tambem indica o câtodo, dita marca plana é uma entalhe ou recesso numa flange que têm os leds. Outra vez este não é um metodo que sempre funciona já que alguns fabricantes não inclui este entalhe e alguns modelos de leds pensados para aplicações de cluster onde se precisa que os leds estejam muito proximos uns dos outros, diretamente não inclui este flange.
O terminal que contém o substrato cumpre outra missão muito importante, a de refletor, já que possui uma forma parabólica ou a sua aproximação semi-circular, este é um ponto muito critico na fabricação e concepção do led já que um mal enfoque pode ocasionar uma perda considerávle de energia ou uma projeção desigual.
Um led bem enfocado deve projetar um brilho igual quando projeta-se sobre uma superficie plana. Um led com enfoque defeituoso pode-se identificar porque projeta formas que são copia do substrato e às vezes pode-se observar um anel mais brilhante no exterior, sintoma seguro de que a posição do substrato encontra-se debaixo do centro focal do espelho terminal.
Dentro das caracteristicas opticas do led aparte da luminosidade está a do ângulo de visão, define-se geralmente o ângulo de visão como a descolocação angular desde a perpendicular onde a potência de emisão disminui à metade. Segundo a aplicação que se lhe dá ao led precisa-se diferentes ângulos de visão assim são tipicos leds com 4, 6, 8, 16, 24, 30, 45, 60 e até 90 graus de visão. Geralmente o ângulo de visão está determinado pelo raio de curvatura do reflector do led e principalmetne pelo raio de curvatura do encapsulado. Com certeza quanto mais pequeno seja o ângulo e a igual substrato semi-condutor tem uma maior potência de emisão e vice-versa.
Outro componente do led que não se vê na figura mas que é comum encontrá-lo nos led de 5mm são os stand-off ou separadores, são topos que têm os terminais e servem para separar os leds da plaqueta em aplicações que assim requerem, normalmente se vai colocar-se varios leds numa plaqueta conveniente que não tenha stand-off já que desta forma o encapsulado do led pode apoiar-se sobre a plaqueta o que lhe dá a posição correta, isto é especialmente importante em leds com ângulo de visão reduzido. Por ultimo temos o encapsulado epoxi que é o encargado de proteger ao semi-condutor das inclemencias ambientais e como dissemos ajudar a formar o feixe de emisão.
Existem basicamente 4 tipos de encapsulado se o catalogamos pela sua cor:
- Colorido ou tingido Similar ao anterior mas colorido com a cor de emisão de substrato similiar ao vidro de algumas garrafas, usa-se principalmente em leds de meia potênica e/ou onde seja preciso identificar a cor do led ainda desligado.
- Transparente o clear water (agua transparente): É o utilizado em leds de alta potência de emisão, já que o propósito destes leds é fundamentalmente iluminar, é potência de emisão, já o proposito destes leds é fundamentalmente iluminar, é importante que estes encapsulados não absorvam de nenhuma maneira a luz emitida.
- Difuso ou difused: Estes leds têm um aspecto mais opacos que o anterior e estão coloridos com a cor de emisão, possui pequenas particulas em suspensão de tamanho microscopicos que são as encargadas de desviar a luz, este tipo de encapsulado tira-lhe muito brilho ao led mas dá-lhe muito ângulo de visão já que os multiplos ressaltos da luz dentro do encapsulado dão-lhe um brilho igual sobre quase todos os ângulos praticos de visão.
- Leitosos ou Milky: Este tipo de encapsulado é un tipo difuso mas sem colorir, estes encapsulados são muito utilizados em leds bicolor ou multicolores. O led bicolor é em realidade um led dublo com um câtodo comum e dois ânodos (3 terminais) ou dois led colocados em contra-posição (2 terminais). Geralmente o primeiro caso com leds vermelho e verde é o mais comum mesmo que existem outras combinações inclusive com mais cores.
É muito importante fazer ver que em todos os casos o substrato do led é o que determina a cor de emisão e não o encapsulado. Um encapsulado com frequência de passo diferente à frequênica de emisão do substrato só conseguiria filtrar a luz do led, descendo assim o brilho aparente ao igual que todo objecto colocado à frente dele.
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