Díodes LED: Funcionament, Tipus i Avantatges

Què és un LED?

Un díode emissor de llum, també conegut com a LED (Light-Emitting Diode), és un dispositiu semiconductor que emet llum incoherent d'espectre reduït quan es polaritza de forma directa la unió PN del mateix i hi circula un corrent elèctric.

Aquest fenomen és una forma d'electroluminescència.

Com funciona un LED?

El color depèn del material semiconductor emprat en la construcció del díode i pot variar des de l'ultraviolat, passant pel visible, fins a l'infraroig.

Els díodes emissors de llum que emeten llum ultraviolada també reben el nom d'UV LED (UltraViolet Light-Emitting Diode) i els que emeten llum infraroja solen rebre la denominació d'IRED (Infra-Red Emitting Diode).

El funcionament físic consisteix en què, en els materials semiconductors, un electró, en passar de la banda de conducció a la de valència, perd energia. Aquesta energia perduda, en passar un electró de la banda de conducció a la de valència, es manifesta com un fotó* o com una altra forma d'energia (calor, per exemple). Això depèn principalment del tipus de material semiconductor.

Quan un díode semiconductor es polaritza directament, els buits de la zona p es mouen cap a la zona n i els electrons de la zona n cap a la zona p; ambdós desplaçaments de càrregues constitueixen el corrent que circula pel díode.

Si els electrons i els buits són a la mateixa regió, poden recombinar-se, és a dir, els electrons poden passar a "ocupar" els buits, "caient" des d'un nivell energètic superior a un altre d'inferior més estable. Aquest procés emet amb freqüència un fotó en semiconductors de banda prohibida directa o "direct bandgap" amb l'energia corresponent a la seva banda prohibida.

Això no vol dir que en els altres semiconductors (semiconductors de banda prohibida indirecta o "indirect bandgap") no es produeixin emissions en forma de fotons; no obstant això, aquestes emissions són molt més probables en els semiconductors de banda prohibida directa (com el nitrur de gal·li) que en els semiconductors de banda prohibida indirecta (com el silici).

L'emissió espontània, per tant, no es produeix de forma notable en tots els díodes i només és visible en díodes com els LEDs de llum visible, que tenen una disposició constructiva especial amb el propòsit d'evitar que la radiació sigui reabsorbida pel material circumdant, i una energia de la banda prohibida coincident amb la corresponent a l'espectre visible.

En altres díodes, l'energia s'allibera principalment en forma de calor, radiació infraroja o radiació ultraviolada.

En el cas que el díode alliberi l'energia en forma de radiació ultraviolada, es pot aconseguir aprofitar aquesta radiació per a produir radiació visible, mitjançant substàncies fluorescents o fosforescents que absorbeixin la radiació ultraviolada emesa pel díode i posteriorment emetin llum visible.

Estructura d'un LED

El dispositiu semiconductor està comunament encapsulat en una coberta de plàstic de major resistència que les de vidre que usualment s'empren en els llums incandescents. Encara que el plàstic pot estar acolorit, és només per raons estètiques, ja que això no influeix en el color de la llum emesa.

Usualment, un LED és una font de llum composta amb diferents parts, raó per la qual el patró d'intensitat de la llum emesa pot ser bastant complex. Per a obtenir una bona intensitat lluminosa, cal escollir bé el corrent que travessa el LED; per a això, cal tenir en compte que el voltatge d'operació va des d'1,8 fins a 3,8 volts aproximadament (el que està relacionat amb el material de fabricació i el color de la llum que emet) i la gamma d'intensitats que ha de circular per ell varia segons la seva aplicació.

Valors típics de corrent directe de polarització d'un LED corrent estan compresos entre els 10 i els 40 mA.

En general, els LEDs solen tenir millor eficiència com menor és el corrent que circula per ells, amb la qual cosa, en la seva operació de forma optimitzada, se sol buscar un compromís entre la intensitat lluminosa que produeixen (major com més gran és la intensitat que circula per ells) i l'eficiència (major com menor és la intensitat que circula per ells).

El primer LED que emetia en l'espectre visible va ser desenvolupat per l'enginyer de General Electric Nick Holonyak el 1962.

*Fotó: és la partícula mediadora de la interacció electromagnètica. Els fotons estan associats a qualsevol radiació electromagnètica.

Avantatges de la tecnologia LED

• Menor dissipació de calor: La incandescència emet llum en tot l'espectre visible, sent el difusor (que fa de filtre) qui deixa passar només el color requerit i la resta de l'espectre es transforma en calor, mentre que el díode LED emet llum monocromàtica directament, en la longitud d'ona de color requerit, pel que no existeix la transformació de llum en calor.
• Major eficiència: Tota la llum emesa pel focus lluminós és aprofitada en la il·luminació del punt de llum.
• Major vida útil: La vida útil del llum incandescent és de 6.000 h, mentre que la del LED pot arribar a 100.000 h, és a dir, 17 vegades major.
• Alts nivells de flux i intensitat dirigida.
• Gran versatilitat per a múltiples i diferents opcions de disseny.
• Alta eficiència, estalvi d'energia.
• Llum blanca.
• Tots els colors (de 460 nm a 650 nm).
• Requeriments baixos de voltatge i consum.
• Alta resistència als cops i vibracions.
• Sense radiació UV.
• Poden ser fàcilment controlats i programats.
• Diferents formes amb diferents angles de radiació.