Constituição e princípio de funcionamento

A constituição básica de um Led é a de um conjunto de regiões realizadas em material semicondutor tal como acontece nos díodos normais. Esse material é obtido através de um processo, comummente designado por dopagem, que consiste na introdução de pequenas quantidades de matéria ou impurezas num material, formando uma junção do tipo p-n [13].

O material constituinte do cristal que forma o semicondutor será de um composto químico tipicamente com três electrões na camada exterior ou de valência como o alumínio, gálio ou índio. A região do tipo n será a fonte de cargas negativas. É obtida pela substituição de uma pequena quantidade de átomos do material principal por átomos de um elemento químico com um número superior de electrões de valência, neste caso quatro, provocando assim na região um excesso de cargas negativas. São usados frequentemente o silício e o germânio como elementos dopantes. Da mesma forma a região do tipo p será a fonte de cargas positivas onde o elemento introduzido terá um electrão a menos na camada exterior, provocando assim um défice de cargas negativas a que se dá a designação habitual de lacunas. Usam-se neste caso elementos como o zinco ou o magnésio [13].

Os electrões em excesso da região n bem como as lacunas da região p podem, se o material for submetido a uma tensão eléctrica, facilmente se libertarem da sua estrutura atómica e movimentarem-se pelo cristal levando assim ao transporte de cargas eléctricas.

Entre a região n e p deverá existir uma zona, designada de região activa pelo facto de ser ai que se irá produzir a luz, sendo constituída por camadas extremamente finas de material semicondutor. Quando, por acção de uma tensão eléctrica aplicada entre as regiões n e p, os electrões livres e as lacunas são enviados para a região activa, ficarão aí confinados havendo por isso a possibilidade de estes dois tipos de portadores de carga se recombinarem, o que a acontecer leva à libertação de um fotão, e consequentemente à emissão de luz [13].

Figura 3.8 – Emissão de luz num Led.

O tipo de luz emitida por um Led caracteriza-se por ser uma radiação essencialmente contínua e monocromática com um comprimento de onda limitado (figura 3.9). O comprimento de onda dominante define a cor da radiação emitida e relaciona-se directamente com o tipo de materiais que constituem a junção p-n do díodo e da região activa. De facto, os primeiros Leds produzidos emitiam radiação com comprimentos de onda na zona do infravermelho e como tal não eram visíveis. O primeiro Led emissor de radiação na zona visível ao olho humano emitia luz vermelha e em seguida foi possível produzir Leds de cor verde e amarela [12].

Figura 3.9 – Espectro da radiação Led [14].

Para a obtenção do Led de cor azul foram necessários muitos anos de pesquisa e experiência de onde se destaca o trabalho desenvolvido por Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura, que contribuíram decisivamente para o desenvolvimento dos semicondutores em Nitreto de gálio (GaN) com os quais foi possível obter finalmente o led de luz azul. Esta invenção teve uma grande importância porque permitiu finalmente a obtenção de luz branca como se verá mais adiante [12].

Actualmente, a estrutura dos leds azuis é em geral a seguinte: uma região do tipo p, com excesso de cargas positivas, à base de nitreto de gálio com dopagem de magnésio; a região do tipo n do mesmo material, com excesso de electrões por dopagem com silício; e a região activa à base de um composto triplo de Nitreto de Indio Gálio (InGaN). O substrato cristalino onde

assenta o composto seria idealmente também á base de nitreto de gálio, mas por não ser possível fabricar cristais deste tipo com tamanho suficiente é usado por exemplo um substrato de safira (AL2O3) [13].

Este tipo de estrutura, apesar de ser um dos grandes passos de evolução tecnológica na área da iluminação, e o actual estado da arte dos Led, sofre de um problema que é a grande perda de eficiência com o aumento da corrente directa de funcionamento. Com efeito, este tipo de Leds conseguem grandes rendimentos luminosos (acima dos 100 lm/W) mas funcionando a baixas correntes, o que é indicado para aplicações pequenas como aparelhagem electrónica, telemóveis, relógios, etc. Para aplicações gerais de iluminação são necessários fluxos luminosos elevados, o que implica o uso de um elevado número de Leds. A alternativa natural é usar uma corrente de alimentação superior para elevar o seu fluxo luminoso emitido. No entanto, o que acontece é que o uso de correntes mais elevadas baixa consideravelmente a eficiência dos Led causando um efeito comummente designado por droop. Grande parte das investigações nesta área focam- se no combate a este problema com diversos investigadores e instituições a prosseguir várias caminhos e teorias que possam permitir a redução deste fenómeno [13].

Compreende-se pois que o desafio actual na área da investigação da iluminação Led é conseguir obter níveis de eficiência que compensem os elevados custos de fabrico para que a tecnologia possa ser alargada ao maior número de aplicações possível.

Mostra-se em seguida os materiais constituintes da camada semicondutora mais comuns usados nos LEDs e a respectiva cor de luz emitida.

Tabela 3.2 – Materiais constituintes da camada semicondutora para diferentes tipos de Led [14].

Cor Material da camada

semicondutora. Abreviação

Vermelho Arseneto de Gálio Alumínio AsGaAl

Vermelho, Laranja, Amarelo Fosfeto de Índio Gálio Alumínio AlInGaP Vermelho, Laranja, Amarelo Fosfeto Arseneto de Gáilo GaAsP

Verde, Azul Nitreto de Índio Gálio InGaN

A obtenção de luz branca a partir dos Led pode ser conseguida essencialmente de duas formas distintas, sendo que ambas necessitam do Led de cor azul, o que explica a grande importância que teve a sua descoberta. Uma dessas formas é através da mistura de radiações com diferentes comprimentos de onda que constituem os componentes principais do espectro visível da radiação. Assim, são usados Leds de cor vermelha, verde e azul (red, green, blue – RGB-Leds), que combinados em determinadas proporções permitem a obtenção de luz branca, o que é representável no diagrama de cores da CIE [14].

Figura 3.10 – produção de luz branca com Led´s pelo método RGB.

Uma maneira alternativa de produzir luz branca, e que é actualmente a mais usada na produção de Leds, consiste no uso de uma camada amarela fosforescente. Esta é colocada sob a luz azul proveniente do Led e, ao ser excitada por essa luz incidente, emite radiação verde e vermelha às quais se junta a luz azul não absorvida pela camada fosforescente, tendo assim as componentes fundamentais que se misturam e produzem luz branca (figura-3.12-a). Alternativamente a camada fosforescente pode absorver a luz azul e emitir luz amarela à qual seguidamente é adicionada luz azul não absorvida pela camada fosforescente produzindo também a desejada luz branca (figura-3.11-b). A natureza dos materiais usados para a camada fosforescente determinará por isso o meio de obtenção da luz [16].

Qualquer que seja o método usado percebe-se que a invenção do led azul foi um dos grandes avanços na tecnologia de iluminação actual já que abre as portas à possibilidade de cada vez mais aplicações baseadas nesta tecnologia, podendo mesmo pensar-se em que venham a ser no futuro a técnica generalizada de iluminação.

Uma lâmpada com tecnologia Led apresenta a seguinte constituição básica:

Figura 3.12 – Constituição de uma lâmpada Led [11].

Uma base de montagem, chamada de substrato, de material cristalino como a safira, onde são colocados os materiais semicondutores (leds) em número e disposição adequada para a quantidade e qualidade da luz desejada.

Dois terminais eléctricos (ânodo e cátodo) são ligados por meio de um pequeno fio eléctrico a esta placa. É nestes terminais que é aplicada a tensão de alimentação a fornecer ao Leds.

Em baixo deste conjunto deverá ser colocada uma fonte de dissipação de calor responsável por diminuir a temperatura na zona semicondutora onde se produz a luz, sendo possível haver uma camada intermédia de material que facilite a propagação do calor.

Finalmente existe a lente que constitui o sistema óptico responsável por formar a luz emitida pelo Led para a forma e direcção desejadas [11].