LED
Il diodo LED
Contenuti
1. Colori e caratteristiche dei led
2. Concetti generali
3. Cenni storici
4. Utilizzo pratico
5. La continuita' dello svilupppo
6. La tecnologia - Parti di un LED
7. Tempi di vita e guasti
8. Colori, caratteristiche e materiali
9. LED blu ed ultravioletto
10. LED La luce bianca
11. I sistemi RGB
12. I diodi emettitori di luce organici (OLED)
Le prove pratiche
Circuiti per i test
1. L'alimentatore usato per tutte le misure
Tabelle
1. Tabella corrente tensione dei diodi led
2. Tabella tensione corrente dei diodi led
Calcoli e curve tipiche dei led in parallelo.
1. I led in parallelo - Curve tipiche I-V
I circuiti di alimentazione dei LED
1. Circuiti elettronici per un singolo LED
2. Collegamento di piu' LED in serie
3. Collegamento di piu' LED in parallelo
4. Collegamento
di
piu'
LED
in
serie/parallelo
5. I LED alimentati in alternata
Illustro di seguito il circuito e lo strumento utilizzato per tutti i test sui led e per la determinazione
sperimentalmente della costante di Planck, mentre nella parte finale della pagina descrivo il banco
ottico realizzato per misurare la reale lunghezza d'onda della luce emessa. A L'ingresso A per
l'interfaccia 750 misura la tensione tra il 1000 Q resistore in serie con il LED. Questa tensione e'
direttamente proporzionale alla corrente attraverso il LED, e il suo valore e' numericamente uguale
alla corrente in mA. L'ingresso B legge la tensione totale in tutto il LED e la serie 1000 Q resistenza.
La differenza tra queste due tensioni e' la tensione ai capi del LED. Per eseguire l'esperimento, le
sonde di tensione sono collegato al primo due ingressi analogici dell'interfaccia 750 e il programma
Pasco Data Studio e' usato per registrare le tensioni, come il potenziometro e' girato dal minimo
(interamente in senso antiorario) al massimo (completamente in senso orario) posizione. In questo
modo, migliaia di punti di dati possono essere acquisiti in pochi secondi. Dopo che i dati sono
raccolti, questa viene analizzata per determinare il minimo valore a cui la resistenza di tensione
diventa diverso da zero. Questa e' la svolta sulla tensione, VG, per quel particolare LED. Da
utilizzando diversi LED di colore diverso (massima lunghezza d'onda diversa, A) e misurando il
valore corrispondente di V0, una tabella di dati di V0 versus 1 / A può essere sviluppate. Un grafico
di V0 versus 1 / Ais tracciati che ha una pendenza di hc / e, da I1 che e' determinata. Un grafico
tipico di V0 versus 1 / A per diversi LED e' illustrato di seguito.
Concetti generali
Un diodo ad emissione luminosa (LED light-emitting diode) e' un semiconduttore fonte di luce, molti
sono usati come indicatori nei piu' diversi dispositivi e sempre piu' per l'illuminazione.
I LED hanno esigenze diverse rispetto sia alle lampadine a incandescenza o a quelle compatte a
fluorescenza, hanno bisogno di DC (corrente continua) e sono sensibili alla polarita'.
Introdotto come utile componente elettronico nel 1962, i primi LED emettevano luce rossa di bassa
intensita', ma le versioni moderne sono disponibili in tutte la lunghezza d'onda visibili, ultravioletto e
infrarosso compresi, ed anche con luminosita' molto alta.
I LED sono sensibili alla polarita' cioe' hanno bisogno di una tensione positiva all'anodo e negativa al
catodo, quando un LED e' collegato correttamente con la tensione di alimentazione appropriata (da
1-4 volt, a seconda del tipo) emette una luce caratteristica, se la tensione ha polarita' invertita il LED
non si accende.
Se i LED sono collegati con polarita' invertita hanno un limite di tensione, limite specificato dal
produttore nei data sheet, quando questa tensione viene superata il diodo puo' interrompersi.
Quando un diodo a emissione luminosa e' polarizzato direttamente (acceso), gli elettroni sono in
grado di ricombinarsi con i buchi all'interno del dispositivo, rilasciando energia sotto forma di fotoni.
Questo effetto e' chiamato elettroluminescenza e il colore della luce, che corrisponde all'energia del
fotone, e' determinata dal gap di energia del semiconduttore.
Per avere una migliore comprensione della tensione e della corrente di alimentazione per i LED e'
necessario comprendere la legge di Ohm, che cito solo per i veri e puri dilettanti come me (vedere la
premessa), mentre gli esperti sicuramente salteranno questo paragrafo.
Gli ampere (I) sono l'unita' di misura della corrente, misurano la quantita' di elettricita' che
fluisce in un circuito.
I volt (V)sono la misura della differenza di potenziale elettrico tra i due conduttori.
Gli ohm (R) misurano la resistenza che un dispositivo oppone al passaggio di corrente.
I watts (W) misurano la potenza, la quantita' di energia che un dispositivo utilizza per il proprio
funzionamento.
Queste unita' di misura tra loro si relazionano secondo queste equazioni.
V=I*R
R=V/I
I=V/R
W=I*V
I LED sono spesso molto piccoli (tra 1 e 2 mm), e possono essere integrati con componenti ottiche
che modellano il diagramma di radiazione.
I LED presentano molti vantaggi rispetto alle fonti di luce ad incandescenza tra cui minore consumo
energetico, maggiore durata, robustezza migliore, piccolo formato, spegnimento e accensione
veloce, maggiore durata e affidabilita'.
I LED abbastanza potenti per illuminazione degli ambienti sono relativamente costosi (al 2010) e
richiedono una piu' precisa corrente di alimentazione unitamente ad una attenta gestione del calore
con riferimento ad una lampada fluorescente compatta di potenza comparabile.
I diodi emettitori di luce sono utilizzati in applicazioni diverse come sostituti per illuminazione in
campo aeronautico, illuminazione per automobili (in particolare luci dei freni, frecce ed indicatori) così
come nei segnali stradali. Le dimensioni compatte, la possibilita' di larghezza di banda stretta, la
velocita' di commutazione, e l'estrema affidabilita' dei LED ha consentito di realizzare nuovi schermi
video e sensori, mentre le loro velocita' di commutazione sono utili anche nelle tecnologia delle
comunicazioni avanzate (fibra ottica).
I LED a infrarossi sono utilizzati anche nelle unita' di controllo a distanza (telecomandi) di molti
prodotti commerciali, compresi televisori, lettori DVD e altre applicazioni domestiche.
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Cenni storici
L'elettroluminescenza e' stata scoperta nel 1907 dallo sperimentatore inglese HJ Round del Marconi
Labs, utilizzando un cristallo di carburo di silicio e di un rivelatore a baffo di gatto.
Il russo Oleg Vladimirovich Losev indipendentemente riferi' in merito alla creazione di un LED nel
1927 e la sua ricerca fu distribuita in riviste scientifiche russe, tedesche e inglesi, ma non fu fatto un
uso pratico della sua scoperta per molti decenni.
Rubin Braunstein della Radio Corporation of America fece una comunicazione circa l'emissione
infrarossa dall'arseniuro di gallio (GaAs) e di altre leghe e di altri semiconduttori nel 1955.
Braunstein osservo' l'emissione di raggi infrarossi generati da strutture semplici di un diodo di
antimonide di gallio (GaSb), di GaAs, di fosfuro di indio (InP), e delle leghe silicio-germanio (SiGe)
sia a temperatura ambiente che a 77 Kelvin.
Nel 1961, gli sperimentatori americani Robert Biard e Gary Pittman lavorando alla Texas
Instruments, trovarono che la radiazione infrarossa e' emessa applicando una corrente elettrica ad
un cristallo di GaAs ed hanno ottenuto il brevetto per il LED ad infrarossi.
Il primo LED nello spettro visibile (rosso) fu sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr., mentre
lavorava alla General Electric Company e Holonyak e' visto come il "padre del light-emitting diode".
M. George Craford, uno studente laureato di Holonyak, invento' il primo LED giallo e miglioro' la
luminosita' dei LED rossi e rosso-arancio di un fattore dieci volte nel 1972.
Nel 1976, TP Pearsall ha creato il primo LED ad alta luminosita' e ad alta efficienza per le
telecomunicazioni in fibra ottica con l'invenzione di nuovi materiali semiconduttori appositamente
adattati alle lunghezze d'onda necessarie per la trasmissione con la fibra ottica.
Fino al 1968 i LED nel visibile e nell'infrarosso erano estremamenti costosi, nell'ordine di 200 dollari
per unita', e così avevano poche applicazioni pratiche.
La Societa' Monsanto e' stata la prima organizzazione a produrre in serie LED nel visibile, utilizzando
l'arseniuro di fosfuro di gallio e nel 1968 ottenne LED rossi adatti per gli indicatori.
Hewlett Packard (HP) ha utilizzato i LED nel 1968, inizialmente con GaAsP forniti dalla Monsanto. La
tecnologia ha dimostrato di avere maggiori applicazioni per display alfanumerico e fu integrata nei
primi calcolatori HP palmari.
Nel 1970 sono stati prodotti da Fairchild Optoelectronics dispositivi a LED di successo sotto i cinque
centesimi di dollaro l'uno, dispositivi impieganti chip semiconduttori composti fabbricati con il
processo planare inventato dal Dr. Jean Hoerni presso Fairchild Semiconductor.
La combinazione della elaborazione planare per la fabbricazione dei chip e di tecniche di
confezionamento innovative ha permesso al team della Fairchild guidato dal pioniere della
optoelettronica Thomas Brandt il raggiungimento delle riduzioni dei costi necessari. Queste tecniche
continuano ad essere utilizzate anche oggi (2010) dai produttori di LED.
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Utilizzo pratico
I primi LED commerciali erano comunemente utilizzati come sostituti per gli indicatori ad
incandescenza, al neon e nei display a sette segmenti, prima in apparecchiature costose come
attrezzature per laboratori di elettronica e di prova, poi in apparecchi come TV, radio, telefoni,
calcolatrici, orologi.
Questi LED rossi erano abbastanza brillanti solo per l'utilizzo come indicatori, dato che l'emissione di
luce ma non era sufficiente per illuminare un ambiente, ma le cifre nei calcolatrici erano così piccole
che furono messe delle lenti di plastica su ogni cifra per renderle leggibili.
Piu' tardi furono disponibili altri formati ed i LED fecero la loro comparsa in strumenti e
apparecchiature. Mano a mano che la tecnologia dei materiali per i LED e' diventata piu' avanzata
l'emissione di luce e' stata aumentata sempre mantenendo l'efficienza e l'affidabilita' ad un livello
accettabile. L'invenzione e lo sviluppo dei LED bianchi ad alta potenza ha portato ad utilizzarli per
l'illuminazione sia portatile che d'ambiente.
La maggior parte dei LED sono stati fatti nella misura piu' comune di 5 e 3 mm, ma con l'aumentare
della potenza di uscita e' diventato sempre piu' necessario dissipare il calore in eccesso per
mantenerne l'affidabilita', sono stati costruiti dei contenitori piu' complessi per un efficiente
dissipazione del calore, anche l'aspetto dei LED ad alta potenza ha poca somiglianza con i primi
LED.
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La continuita' nello svilupppo
Lo sviluppo della tecnologia LED ha causato che l'efficienza e la potenza luminosa aumenti in modo
esponenziale, con un raddoppio che si verifica circa ogni 36 mesi dal 1960, in un modo simile alla
legge di Moore. Le previsioni sono generalmente attribuite allo sviluppo parallelo delle tecnologie dei
semiconduttori e altri progressi dell'ottica e della scienza dei materiali.
I materiali ed i processi di fabbricazione utilizzati per implementare i LED stanno continuamente
migliorando col risultato di maggiore luminosita' e maggiore efficienza, mentre le tecnologie di
illuminazione tradizionale, come le lampade fluorescenti, ad incandescenza, alogene e a scarica ad
alta intensita' sono statiche e non hanno visto significativi miglioramenti per anni.
Nel corso degli ultimi 40 anni le prestazioni dei LED sono migliorate a tassi logaritmici, mentre il
costo della luce LED e' diminuita contemporaneamente a tassi logaritmici. Questo fenomeno e' stato
chiamato Legge Haitz, dal nome del Dott. Roland Haitz di Agilent Technologies, che per primo ha
osservato questo fenomeno. Negli ultimi anni, questo tasso e' aumentato forse a causa della
maggiore concorrenza nel mercato dei componenti LED.
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La tecnologia - Parti di un LED
Come un normale diodo, il LED e' costituito da un chip di materiale semiconduttore drogato con
impurita' per creare una giunzione P-N, come in altri diodi, la corrente passa facilmente dal lato P, o
anodo , verso il lato N, o catodo, ma non nella direzione inversa.
Gli elettroni portratori di cariche e le buche fluiscono nel punto di giunzione degli elettrodi con
tensioni diverse, quando un elettrone incontra una buca, cade in un livello inferiore di energia che
rilascia sotto forma di uno o piu' fotoni.
La lunghezza d'onda della luce emessa, e quindi il suo colore, dipende dalla banda di intervallo
energetico dei materiali che costituiscono la giunzione PN. Nei diodi di silicio o germanio, gli elettroni
e le buche si ricombinano fornendo una transizione non-radiante che non produce emissione ottica,
perché questi sono materiali con intervallo di banda indiretta.
I materiali utilizzati per i LED hanno un intervallo di banda diretto con le energie corrispondenti alla
luce del vicino infrarosso, visibile o ultravioletta.
Lo sviluppo dei LED e' iniziato con dispositivi a luce rossa e ad infrarossi realizzati con arseniuro di
gallio, i progressi nella scienza dei materiali hanno reso possibile la produzione di dispositivi con
lunghezze d'onda sempre piu' brevi, producendo luce in una grande varieta' di colori.
I LED sono di solito costruiti su un substrato di tipo N, con un elettrodo attaccato ad uno strato di tipo
P depositato sulla sua superficie, ma si possono realizzare substrati di tipo P anche se sono meno
frequenti.
Molti LED commerciali, in particolare GaN / InGaN, utilizzano anche un substrato di zaffiro.
La maggior parte dei materiali utilizzati per la produzione di LED hanno indici di rifrazione molto
elevati, questo significa che una importante quantita' di luce sara' riflessa dal materiale alla
interfaccia materiale/aria, pertanto l'estrazione della luce nei LED e' un aspetto importante della loro
produzione ed e' oggetto di molte ricerche e sviluppi.
Tipicamente i LED indicatori sono progettati per funzionare con non piu' di 30-60 milliwatt [mW] di
energia elettrica. Attorno al 1999 la Philips Lumileds ha introdotto i LED di potenza in grado di uso
continuo con dissipazione di un watt [W], in questi LED il materiale semiconduttore ha dimensioni
molto piu' grandi per gestire la notevole energia di ingresso, inoltre il semiconduttore e' montato su
una conchiglia di metallo per consentire la rimozione del calore dalla matrice del LED.
Uno dei vantaggi chiave della illuminazione a LED e' la sua alta efficienza, misurata come potenza
luminosa per unita' di potenza di ingresso, i LED bianchi hanno rapidamente raggiunto e superato
l'efficienza dei sistemi di illuminazione ad incandescenza standard. Nel 2002, Lumileds ha reso
disponibile LED da cinque watt con una efficienza luminosa di 18-22 lumen per watt [lm/W), per
confronto, una tradizionale lampadina ad incandescenza da 60-100W produce circa 15 lm/W, e le
luci fluorescenti standard producono fino a 100 lm/W. Un problema ricorrente e' che l'efficienza cade
drammaticamente con l'aumento della corrente. Questo effetto e' noto come caduta e effettivamente
limita la potenza luminosa dei LED, aumentando il riscaldamento piu' della potenza luminosa quando
si incrementa la corrente.
Nel settembre del 2003, un nuovo tipo di LED blu e' stata presentato dalla societa' Cree, Inc. per
fornire 24 MW a 20 milliampere [mA], ed ha prodotto un componente commerciale a luce bianca ch
eroga 65 lm/W a 20 mA, diventando il LED bianco piu' luminosa disponibile in commercio al
momento, e piu' di quattro volte piu' efficienti delle lampade a incandescenza standard (2005).
Nel 2006 e' stato presentato un prototipo di LED bianco con efficacia record con di 131 lm/W a 20
mA, anche la Seoul Semiconductor ha pianificato LED da 135 lm/W entro il 2007 e 145 lm/W entro il
2008, che sarebbe in avvicinamento a un ordine di grandezza in piu' delle lampade a incandescenza
standard e meglio anche delle lampade fluorescenti standard, Nichia Corporation ha sviluppato un
LED bianco con efficienza luminosa di 150 lm/W con corrente di 20 mA.
I LED ad alta potenza (1 watt o superiore) sono necessari per applicazioni reali di illuminazione
generale, le correnti di funzionamento tipiche per questi dispositivi iniziano a 350 mA.
Si noti che questi incrementi di efficienza sono solo per il LED tenuto a bassa temperatura in un
laboratorio, ma nelle applicazioni di illuminazione che operano a temperature piu' elevate e con le
perdite del circuito di azionamento, le efficienze sono molto piu' basse.
La sperimentazione da parte del DOE (United States Department of Energy) di lampade LED
commerciali progettate per sostituire le lampade ad incandescenza o le lampade fluorescenti
compatte hanno mostrato che l'efficacia media e' stata ancora di circa 46 lm/W nel 2009 (durante i
test le prestazioni variavano dai 17 lm/W a 79 lm/W).
Cree ha emesso un comunicato stampa il 3 febbraio 2010, circa un prototipo di LED in laboratorio
che raggiungere 208 lumen per watt a temperatura ambiente, il correlato temperatura di colore e'
stato segnalato per essere a 4579 K (Luce emessa dal corpo nero a 4579k).
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Tempi di vita e guasti
I dispositivi allo stato solido, come i LED sono oggetti di usura molto limitata se impiegati a basse
correnti e a basse temperature, molti dei LED prodotti negli anni 1970 e 1980 sono ancora oggi in
servizio.
I tempi di vita tipici riportati sono da 25.000 a 100.000 ore, ma il calore e le impostazioni della
corrente possono estendere o accorciare questo tempo in modo significativo.
Il sintomo piu' comune di un LED (o di laser a semiconduttore) di una incipiente rottura e' la graduale
riduzione della emissione di luce e la perdita di efficienza, i guasti improvvisi, per quanto rari,
possono pure verificarsi. I primi LED rossi erano noti per la loro breve vita, ma con lo sviluppo di LED
ad alta potenza i dispositivi sono sottoposti a temperature di giunzione piu' alte e maggiori densita' di
corrente rispetto ai dispositivi tradizionali, cio' e' causa di stress del materiale e puo' causare precoce
degrado della luce in uscita.
Per classificare quantitativamente i tempi di vita in un modo standardizzato e' stato suggerito di
utilizzare i termini L75 e L50 che e' il tempo che ci vorra' un dato LED per raggiungere
rispettivamente il 75% e il 50% di emissione di luce.
Come per gli altri dispositivi di illuminazione, la prestazione del LED dipende dalla temperatura, le
valutazioni pubblicate dalla maggior parte dei produttori di LED sono per una temperatura di
esercizio di 25° C.
I LED utilizzati all'esterno, come segnali stradali o illuminazione di lucernari che vengono utilizzati nei
climi dove la temperatura entro l'apparecchio diventa molto calda, potrebbe aversi una intensita' di
segnale basso o addirittura una rottura.
I LED aumentano la loro potenza luminosa a temperature fredde, ed il livellamento a seconda del
tipo e' a circa-30C, di conseguenza, la tecnologia LED puo' essere un buon sostituto in settori come
l'illuminazione dei frigoriferi nei supermercati che durera' piu' a lungo rispetto ad altre tecnologie,
poiché i LED generano meno calore delle lampadine ad incandescenza, ma sono una tecnologia a
basso consumo energetico da utilizzare in tali contesti.
D'altra parte, dato che non generano molto calore, ghiaccio e neve possono accumularsi sulla
illuminazione a LED nei climi piu' freddi, la mancanza di produzione di calore disperso ha causato a
volte notevoli problemi con i semafori e la illuminazione aeroportuale delle piste nei siti coperti di
neve, anche se alcune ricerche sono state fatte per cercare di sviluppare tecnologie per dissipare il
calore o per il trasferimento di calore alle zone di supporto del corpo illuminante.
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Colori, caratteristiche e materiali
I LED convenzionali sono realizzati da una varieta' di materiali inorganici semiconduttori, nelle tabelle
ho cercato di fornire i dati a mia disposizione.
Colori e caratteristiche dei led
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LED blu ed ultravioletto.
Il primo LED blu ad alta luminosita' e' stato prodotto da Shuji Nakamura della Nichia Corporation e
usava GaN basandosi sugli sviluppi del GaN con nucleazione su substrati di zaffiro e la
dimostrazione del doping di tipo-p di Gan, che sono stati sviluppati da Isamu Akasaki e H. Amano a
Nagoya.
Nel 1995, Alberto Barbieri presso l'Universita' di Cardiff Laboratory (GB) ha indagato l'efficienza e
l'affidabilita' dei LED ad alta luminosita' e ha dimostrato un risultato veramente impressionante,
utilizzando un contatto trasparente a base di ossido di indio e stagno (ITO) per il LED (AlGaInP /
GaAs).
L'esistenza di LED blu e led ad alta efficienza hanno rapidamente portato allo sviluppo dei primi LED
bianchi, che occupavano un Y3Al5O12: CE, o "YAG", il rivestimento al fosforo per mescolare la luce
gialla (down-convertita) con il blu per la produzione di luce che appare bianca.
A Nakamura e' stato assegnato il Millennium Technology Prize 2006 per la sua invenzione.
Nel febbraio 2008 l'universita' Bilkent in Turchia segnalato 300 lumen di luce visibile per watt di
efficenza luminosa (non per watt elettrici) e la luce calda utilizzando nanocristalli.
Nel 2009, ricercatori della Cambridge University ha riferito un processo per la coltivazione di nitruro
di gallio (GaN) LED sul silicio. I costi potrebbero essere ridotti fino al 90% utilizzando wafer di silicio
da sei pollici invece di wafer di zaffiro da due pollici. La squadra e' stata guidata da Colin Humphreys.
I primi LED blu sono state fatti nel 1971 da Jacques Pankove (inventore dei LED al nitruro di gallio)
presso i laboratori RCA, questi dispositivi avevano una uscita troppo debole per essere di grande
utilita' pratica.
Tuttavia, i primi LED blu trovano impiego in alcune applicazioni a bassa intensita', come indicatori di
luci abbaglianti nelle autovetture. Alla fine del 1980 le scoperte chiave sulla crescita epitassiale del
GaN ed il drogaggio di tipo-p ha inaugurato l'epoca moderna dei dispositivi optoelettronici basati su
GaN,
Sulla base di questo lavoro, nel 1993, sono stati commercializzati diodi blu ad alta luminosita', ed alla
fine degli anni 1990, Il LED blu era diventato ampiamente disponibile.
I LED blu ad alta intensita' hanno una regione attiva costituita da uno o piu' pozzi quantici di InGaN
inseriti tra spessi strati di GaN, chiamato rivestimento di strati, variando la frazione relativa Inn-GaN
in pozzi quantici di InGaN, l'emissione luminosa puo' essere variata dal viola al giallo ambrato.
Il nitruro di gallio alluminio (AlGaN) con variazioni frazionarie di AlN puo' essere usato per fabbricare
il rivestimento ed il pozzo quantico a strati per i LED ultravioletti, ma questi dispositivi non hanno
ancora raggiunto il livello di efficienza e di maturita' tecnologica dei dispositivi InGaN GaN blu /
verde.
Se nel pozzo quantico attivo gli strati sono di GaN in opposizione alla lega InGaN o AlGaN, il
dispositivo emette luce nel vicino-ultravioletto con lunghezze d'onda intorno a 350-370 nm.
I LED verdi realizzati col sistema InGaN-Gan sono molto piu' efficienti e piu' luminosi di LED verde
prodotta con i sistemi di materiale senza nitruro, mentre con nitruri contenenti alluminio, piu' spesso
AlGaN e AlGaInN , sono realixzzabili anche le lunghezze d'onda piu' corte.
LED nell'ultravioletti, in una vasta gamma di lunghezze d'onda sono sempre piu' disponibili sul
mercato.
I led nel vicino ultravioletto con lunghezze d'onda intorno a 375-395 nm sono gia' a buon mercato e
spesso si incontrano, per esempio, come sostituzione delle lampade a luce nera per l'ispezione anticontraffazione di filigrane e carte in alcuni documenti e monete.
Diodi con lunghezza d'onda piu' corte, ache se sostanzialmente piu' costosi, sono disponibili in
commercio per lunghezze d'onda fino a 247 nm. dato che la fotosensibilita' dei microrganismi
corrisponde circa allo spettro di assorbimento del DNA , con un picco a circa 260 nm, e LED che
emettono a 250-270 nm sono attesi in futuro e come dispositivi di disinfezione e sterilizzazione,
recenti ricerche hanno dimostrato che sono gia' in commercio dei LED UVA (365 nm) come
dispositivi efficaci per disinfezione e sterilizzazione.
Lunghezze d'onda nel profondo UV sono stati ottenute in laboratorio utilizzando nitruro di alluminio
(210 nm), nitruro di boro (215 nm) e di diamante (235 nm).
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LED a luce bianca ad alta intensita'
Ci sono due modi principali di produzione di LED a luce bianca ad alta intensita'.
Uno e' quello di utilizzare i singoli LED che emettono luce nei tre colori primari -rosso, verde e
blu e poi mescolare tutti i colori per la produzione di luce bianca.
L'altro e' quello di utilizzare un materiale al fosforo per convertire da una luce monocromatica
blu o UV in luce bianca ad ampio spettro, nello stesso modo che funziona una lampadina
fluorescente. A causa del metamerismo , e' possibile avere diversi spettri che appaiono del
tutto bianco.
Un altro metodo utilizzato per la produzione sperimentale LED a luce bianca che non utilizza fosfori
e' basata sulla crescita omoepitassialle del seleniuro di zinco (ZnSe) su un substrato ZnSe che
simultaneamente emette la luce blu dalla sua regione attiva e luce gialla dal substrato.
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I sistemi RGB multicolori
Combinando le curve spettrali per il blu, giallo-verde, e il rosso dei LED ad alta luminosita', la
larghezza di banda spettrale e' di circa 24-27 nm per tutti e tre i colori.
La luce bianca puo' essere prodotta miscelando la luce colorata in modo diverso, ma il metodo piu'
comune e' quello di utilizzare rosso, verde e blu (RGB), il metodo viene chiamato LED bianchi multicolorati (a volte indicato come RGB LED).
Poiché nel suo meccanismo sono coinvolti dispositivi elettro-ottici per il controllo della miscelazione e
la diffusione dei diversi colori, questo approccio e' poco utilizzata per produrre luce bianca.
Tuttavia questo metodo e' particolarmente interessante in molte applicazioni a causa della flessibilita'
di mixaggio di colori diversi, e, in linea di principio, questo meccanismo ha anche maggiore efficienza
quantica nella produzione di luce bianca.
Ci sono diversi tipi di LED bianchi a colori multipli: LED bianchi di- tri- e tetracromatici. Diversi fattori
chiave giocano tra questi diversi approcci includendo la stabilita' del colore, la capacita' della resa
cromatica e l'efficienza luminosa .
Spesso una maggiore efficienza significa minore resa dei colori, presentando un punto di rottura tra
l'efficienza luminosa e resa dei colori.
Ad esempio, i LED bianchi dicromatici hanno la migliore efficacia luminosa (120 lm/W), ma la piu'
bassa resa cromatica, al contrario, sebbene i LED tetracromatici bianchi hanno ottime capacita' di
resa del colore spesso hanno scarsa efficienza luminosa. I LED tricromatichi bianchi sono una via di
mezzo, avendo sia buona efficacia luminosa ( > 70 lm/W) e corretta resa del colore.
Quello che offrono i LED multicolori non e' semplicemente un'altra soluzione per produrre luce
bianca, ma e' una tecnica del tutto nuova di produrre luce di diversi colori.
In linea di principio, la maggior parte dei colori percepibili possono essere prodotti mescolando
diverse quantita' dei tre colori primari, e questo rende possibile ottenere un preciso controllo della
dinamica del colore. Dato che viene dedicato molto sforzo per sviluppare questa tecnica, i LED multicolore avranno profonda influenza sul metodo fondamentale usato per produrre e controllare il colore
della luce, ma prima che questo tipo di LED possa veramente giocare un ruolo sul mercato ci sono
molti problemi tecnici da risolvere per la produzione indistriale dei LED bianchi multicolori, basta
citare la caduta di potenza esponenziale con l'aumentare della temperatura.
I LED bianchi possono essere costruiti anche associando dei LED che emettono luce nel vicino
ultravioletto ricoperti con fosfori opportunamente miscelati, questo e' un metodo analogo alle
modalita' di lavoro delle lampade fluorescenti. Questo metodo e' meno efficiente dei LED blu con
fosfori YAG:Ce per il maggior calore che deve essere dissipato ma produce luce con migliori
caratteristiche spettrali cioe' la qualita' del colore e' migliore.
A causa della maggiore radiazione ultravioletta di questi LED rispetto a quelli a luce blu, entrambi gli
approcci offrono luminosita' paragonabili, ma e' preoccupante la possibilita' che un diodo UV puo'
perdere radiazione da una sorgente malfunzionante e causare danni alla pelle o agli occhi umani.
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I diodi emettitori di luce organici (OLED)
Se lo strato di materiale che emette del LED e' un composto organico , si parla di un diodo organico
che emette luce ( OLED - Organic Light Emitting Diode ). Per funzionare come un semiconduttore il
materiale organico deve avere legami π coniugato, il materiale che emette puo' essere una piccola
molecola organica in fase cristallina, o di un polimero .
La tecnologia OLED ha grandi vantaggi (bassa tensione di alimentazione, ottimo contrasto,
brillantezza dei colori) tuttavia presenta ancora dei limiti. Primo fra tutti il costo ancora elevato del
processo produttivo. In secondo luogo gli schermi OLED hanno una durata molto inferiore agli
schermi a cristalli liquidi e agli schermi al plasma. Il materiale organico di cui sono composti, infatti,
tende a perdere la capacità di emettere luce dopo poche decine di migliaia di ore di esercizio.
I materiali polimerici possono essere flessibili, questi LED sono noti come PLED o FLED. Rispetto ai
normali LED, gli OLED sono piu' leggeri, e i LED polimerici possono avere il vantaggio di essere
flessibili.
Alcune possibili applicazioni future degli OLED potrebbero essere:
Display flessibili di basso costo
Sorgenti luminose
Decorazioni murali
Tessuti luminosi
Gli OLED sono stati utilizzati per la produzione di schermi visivi per dispositivi elettronici portatili
come telefoni cellulari, fotocamere digitali e lettori MP3, sono stati realizzati schermi piu' grandi a
partire dal 2007, ma la loro aspettativa di vita e' ancora troppo breve per essere di uso commerciale.
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