LED – LIGHT EMITTER DIODE
LED – LIGHT EMITTER DIODE
1 - Introdução
1 - Introdução
O LED - light emitter diode ou diodo emissor de luz, como o O LED - light emitter diode ou diodo emissor de luz, como o próprio
próprio nome nome já já diz, diz, é é um um diodo diodo (junção (junção P-! P-! "ue "ue "u#ndo energiz#do"u#ndo energiz#do emite luz $is%$el&
emite luz $is%$el&
' luz produzid# pelo led é monocromátic# e é c#us#d# pel#s ' luz produzid# pelo led é monocromátic# e é c#us#d# pel#s inter#çes energétic#s do elétron& O processo de emissão de luz pel# inter#çes energétic#s do elétron& O processo de emissão de luz pel# ##pplliicc##ççãão o dde e uumm# # ))oonntte e eellééttrriicc# # dde e eenneerrggii# # é é cchh##mm##ddoo *elet
*eletrolumroluminescinesc+nci+nci#*, #*, procprocesso esso "ue "ue est#est#rá rá m#is m#is det#det#lh#dlh#do o no no temtem .omposição/
.omposição/
Em "u#l"uer junção P- pol#riz#d# diret#mente, dentro d# estrutur#, pró0imo 1 junção, Em "u#l"uer junção P- pol#riz#d# diret#mente, dentro d# estrutur#, pró0imo 1 junção, ocorrem recom2in#çes de l#cun#s e elétrons& Ess# recom2in#ção e0ige "ue # energi# possu%d# ocorrem recom2in#çes de l#cun#s e elétrons& Ess# recom2in#ção e0ige "ue # energi# possu%d# por esse elé
por esse elétron, "ue #té entãtron, "ue #té então er# li$re, sej# li2er#o er# li$re, sej# li2er#d#, o "ue ocorre nd#, o "ue ocorre n# )orm# de c#lo# )orm# de c#lor ou de luz&r ou de luz& 3á em outros m#teri#is, como o #rseneto de gálio (4#'s! ou o )os)eto de gálio (4#P!, tem 3á em outros m#teri#is, como o #rseneto de gálio (4#'s! ou o )os)eto de gálio (4#P!, tem como propried#de, emitir um n5mero de )ótons de luz su)iciente p#r# constituir )ontes de luz como propried#de, emitir um n5mero de )ótons de luz su)iciente p#r# constituir )ontes de luz signi)ic#ntes, sej#m el#s $is%$eis ou não (in)r#$ermelho ou ultr#$iolet#!, o "ue constitui de signi)ic#ntes, sej#m el#s $is%$eis ou não (in)r#$ermelho ou ultr#$iolet#!, o "ue constitui de m#neir# resumid# os LED6s&
m#neir# resumid# os LED6s&
Princípio de Funcionamento
Princípio de Funcionamento
De um modo ger#l, o LED (Diodo Emissor de Luz! consiste em um crist#l com junção De um modo ger#l, o LED (Diodo Emissor de Luz! consiste em um crist#l com junção P& 7u#ndo ocorrer um# pol#riz#ção diret#, mo$em-se os elétrons d# região em direção 1s P& 7u#ndo ocorrer um# pol#riz#ção diret#, mo$em-se os elétrons d# região em direção 1s
l#cun#s d# região P& Dest# m#neir# há um#
l#cun#s d# região P& Dest# m#neir# há um# recom2in#ção (elétronsrecom2in#ção (elétrons li$
li$res res 8 8 l#cl#cun#un#s! s! oc#oc#siosion#nn#ndo do umum# # li2li2er#er#çãção o de de eneenergrgi#, i#, EssEss## recom2in#ção e0ige "ue # energi# possu%d# por esse elétron, "ue recom2in#ção e0ige "ue # energi# possu%d# por esse elétron, "ue #té então er# li$re, sej# li2er#do, o "ue ocorre n# )orm# de c#lor ou #té então er# li$re, sej# li2er#do, o "ue ocorre n# )orm# de c#lor ou )ó
)ótotons ns de de luluz& z& ' ' luluz z é é momononocrcromomátáticic# # e e é é prprododuzuzidid# # pepel#l#ss inter#çes energétic#s do elétron& O processo de emissão de luz inter#çes energétic#s do elétron& O processo de emissão de luz pel#
pel# #plic#ção #plic#ção de de um# um# )onte )onte elétric# elétric# de de energi# energi# é é ch#m#doch#m#do *eletroluminesc+
O m#teri#l dop#nte de um# áre# do semicondutor contém átomos com um elétron # menos n# 2#nd# de $#l+nci# em rel#ção #o m#teri#l semicondutor& # lig#ção, os %ons desse m#teri#l dop#nte (%ons *#ceit#dores*! remo$em elétrons de $#l+nci# do semicondutor, dei0#ndo *l#cun#s*, port#nto, o semicondutor torn#-se do tipo P& # outr# áre# do semicondutor, o m#teri#l dop#nte contém átomos com um elétron # m#is do "ue o semicondutor puro em su# )#i0# de $#l+nci#& Port#nto, n# lig#ção esse elétron )ic# dispon%$el so2 # )orm# de elétron li$re, )orm#ndo o semicondutor do tipo &
# região de cont#to d#s du#s áre#s, elétrons e l#cun#s se recom2in#m, cri#ndo um# )in# c#m#d# isent# de port#dores de c#rg#, # ch#m#d# 2#rreir# de potenci#l, onde temos #pen#s os %ons *do#dores* d# região e os %ons *#ceit#dores* d# região P, "ue por não #present#rem port#dores de c#rg# *isol#m* #s dem#is l#cun#s do m#teri#l P dos outros elétrons li$res do
m#teri#l &
9m elétron li$re ou um# l#cun# só pode #tr#$ess#r # 2#rreir# de potenci#l medi#nte # #plic#ção de energi# e0tern# (pol#riz#ção diret# d# junção!& '"ui é preciso ress#lt#r um )#to )%sico do semicondutor: nesses m#teri#is, os elétrons só podem #ssumir determin#dos n%$eis de energi# (n%$eis discretiz#dos!, sendo #s 2#nd#s de $#l+nci# e de condução #s de m#iores n%$eis energéticos p#r# os elétrons ocup#rem&
' região compreendid# entre o topo d# de $#l+nci# e # p#rte in)erior d# de condução é # ch#m#d# *2#nd# proi2id#*& ;e o m#teri#l semicondutor )or puro, não terá elétrons ness# 2#nd# (d#% ser ch#m#d# *proi2id#*!& ' recom2in#ção entre elétrons e l#cun#s, "ue ocorre depois de $encid# # 2#rreir# de potenci#l, pode #contecer n# 2#nd# de $#l+nci# ou n# proi2id#& ' possi2ilid#de dess# recom2in#ção ocorrer n# 2#nd# proi2id# se de$e 1 cri#ção de est#dos
eletr<nicos de energi# ness# áre# pel# introdução de outr#s impurez#s no m#teri#l&
.omo # recom2in#ção ocorre m#is )#cilmente no n%$el de energi# m#is pró0imo d# 2#nd# de condução, pode-se escolher #de"u#d#mente #s impurez#s p#r# # con)ecção dos leds, de modo # e0i2irem 2#nd#s #de"u#d#s p#r# # emissão d# cor de luz desej#d# (comprimento de ond# espec%)ico!&
Composição de um LED
o sil%cio e no germ=nio, "ue são 2ásicos nos diodos e tr#nsistores, entre outros componentes eletr<nicos, # m#ior p#rte d# energi# é li2er#d# n# )orm# de c#lor, sendo insigni)ic#nte # luz emitid#, e os componentes "ue tr#2#lh#m com m#ior c#p#cid#de de corrente cheg#m # precis#r de irr#di#dores de c#lor (dissip#dores! p#r# #jud#r n# m#nutenção dess# temper#tur# em um p#t#m#r tolerá$el&
3á em outros m#teri#is, como o #rsenieto de gálio (4#'s! ou o )os)eto de gálio (4#P!, o n5mero de )ótons de luz emitido é su)iciente p#r# constituir )ontes de luz 2#st#nte $is%$eis&
Os m#teri#is p#r# um diodo emissor de luz (LED! em espectros $is%$eis (?@@ A B@@ nm! são semicondutores com 2#dg#ps entre C, e ,C eF&
Org#niz#dos p#r# permitir e)eti$#s recom2in#çes, os m#teri#is de$em ter tr#nsição e 2#nd# p#r# 2#nd# ou permitir outr#s linh#s de recom2in#çes com #lt# e)ici+nci#&
' luz emitid# é monocromátic#, sendo # cor, port#nto, dependente do crist#l e d# impurez# de dop#gem com "ue o componente é )#2ric#do& O led "ue utiliz# o #rseneto de gálio emite r#di#çes in)r#-$ermelh#s& Dop#ndo-se com )ós)oro, # emissão pode ser $ermelh# ou #m#rel#, de #cordo com # concentr#ção& 9tiliz#ndo-se )os)eto de gálio com dop#gem de nitrog+nio, # luz emitid# pode ser $erde ou #m#rel#&
.omo um re"uisito #dicion#l, os m#teri#is de$em permitir # )#2ric#ção em )orm# de monocrist#is e # tecnologi# desen$ol$id# de$e est#r dispon%$el p#r# os procedimentos& '
com2in#ção dos elementos do grupo e F do sistem# de elementos periódicos result# em semicondut=nci# compost# por 2#ndg#ps entre @,C e #pro0im#d#mente G eF&
Por tod# composição # 2#ndg#p é d#d# em eF& Os semicondutores diretos são denot#dos por um #sterisco, encontr#mos # m#iori# deles no grupo A nitr#tos 4# e n& Esses nitr#tos
serão su2stitu%dos por m#teri#is de silicone, dentro de poucos #nos&
O #rseneto de gálio tem um# 2#ndg#p diret# de C,?> eF e não somente import#nte p#r# o LED, m#s é t#m2ém signi)ic#nte m#teri#l su2str#to&
.omposto de -F podem )orm#r crist#is com propried#des entre compostos 2inários& Os m#is import#ntes sistem#s de crist#is mistur#dos, dizendo respeito 1 LED são 'l's, 4#'s-4#P, nP-4#P-'lP&
' 2#ndg#p e # const#nte de L#ttice de 4#
l-0'l0's e 4#'sl-0P0 estão #present#dos n# )igur#?&
' região diret# é mostr#d# como um# linh# sólid# e # região indiret# como um# linh# som2re#d#&
'cim# de 0H@,?? (2#ndg#p C,IG eF!, 4#l-0'l0's é direto e # const#nte de L#ttice mud# só
le$emente so2re o limite inteiro d# mistur#& ' m#is #lt# 2#ndg#p diret# p#r# 4#'sl-0P0 é C,II eF (
0H@,?J!& # região indiret# de 4#'sl-0P0, # e)ici+nci# d# recom2in#ção 2rilh#nte pode ser
#ument#d# consider#$elmente por dop#gem com nitrog+nio (centro isoeletr<nico!& sso reduz # 2#ndg#p e)eti$# em #pro0im#d#mente @,@G eF (segund# linh# som2re#d#!
's 2#ndg#ps re"uisit#d#s p#r# o LED colorido comum estão m#rc#dos no topo d# )igur# ?& .onsider#ndo "ue # emissão $ermelh# pode ser conseguido com 4# @,G'l@,?'s ou 4#'s@,GP@,?
(#m2os diretos! e indiret#mente 4#'ll-0P0: é us#d# p#r# outr#s cores&
# )igur# J, #s 2#ndg#ps e # const#nte de L#ttice do n4#'lP estão e0postos& o di#gr#m# os compostos 2inários são #present#dos como pontos, compostos ternários como linh#s e "u#ternários como crist#is mistur#dos n4#'lP como áre#s som2re#d#s&
Os crist#is 2inários nP, 4#P e 'lP )orm#m os #pecies/&
;u# c#r#cter%stic# é o result#do de um# comple0# estrutur# de 2#nd# e # tr#nsição d# região diret# p#r# # indiret# e $ice $ers#& O di#gr#m# #present# "ue #s composiçes de n4#'lP são diret#s e "ue crist#is mistur#dos são L#ttice igu#l#do p#r# )ornecer o m#teri#l su2str#to&
fig 3.3
'm2os são necessários pré-re"uisitos p#r# # )#2ric#ção de um LED com 2rilho p#rticul#r&
' linh# $ertic#l som2re#d# #tr#i #tr#$és d# região diret# d# 2#ndg#p, mostr# "ue # composição é
e0trem#mente # L#ttice igu#l#d# e pode ser )#2ric#d# no su2str#to de 4#'s& ' not#ção corresponde n@,J(4#0'lC-0! @,JP )ornece # proporção de "u#ntid#de de átomos no crist#l L#ttice&
' 2#ndg#p é diret# se # concentr#ção de #lum%nio esti$er #2#i0o de 0H@,B& ' região espectr#l de $ermelho por l#r#nj# e #m#relo p#r# $erde pode ser #pont#d# pel# $#ri#ção de 0 em n4#'lP&
E0trem#mente e)iciente # #lt# luminesc+nci# p#r# o l#r#nj# e #m#relo são o2tidos em dupl# heteroestrutur# de n4#'lP situ#d# no re)letor Kr#gg do su2str#to de 4#'s&
's )igur#s #2#i0o mostr#m du#s estrutur#s com su2str#tos de 4#'s, )igur# &?, $ermelho p#drão e )igur# &J, D-red&
O $ermelho p#drão consiste d# 4#'s@,GP@,?"ue )oi deposit#d# com um#
c#m#d# de proteção 4#'sC-0P0 em
su2str#to n-4#'s pro epit#0M em est#do de $#por& O elemento é )#2ric#do num processo pl#n#r com di)usão de Nn oculto& O su2str#to é op#co, neste c#so& sso signi)ic# "ue o posterior cont#to pode ser )ornecido so2re # áre# complet#& O elemento D-red ($ermelho! consiste em tr+s c#m#d#s de epit#0i#l no su2str#to
p-4#'s& ' c#m#d# #ti$# com J 'l-s#tis)eito é )#2ric#do entre du#s c#m#d#s de 4# l-0'l0's de
G@ 'l-s#tis)eito&
Outros LedQs p#dres estão #present#dos n#s )igur#s &G e &B, o chip p#r# l#r#nj# e #m#relo são simil#r #o tipo $ermelho p#drão& De$ido 1 gr#nde "u#ntid#de de P, @,G ou @,J, os m#teri#is são deposit#dos com #propri#d# c#m#d# de proteção no su2str#to com 4#P e um re)leti$o cont#to posterior é #present#do&
O elemento $erde consiste inteir#mente de 4#P e pode port#nto ser constru%do com epit#0M em est#do li"u%do&
O #umento d# junção P é di$idido por gr#$ur# mes#/ nesse e0emplo, p#r# permitir mediçes de chips indi$idu#is no R#)er/&
9m no$o tipo de LED p#r# #plic#çes onde # p#rticul#rid#de de #lto 2rilho é re"uisito e é #present#do n# )igur# C@& ' estrutur# é simil#r #o do elemento D-red& 9m# dupl# heteroestrutur# é prep#r#d# num su2str#to 4#'s de #2sorção de luz& ' com2in#ção do re)letor Kr#gg entre o su2str#to e um e)eito de c#m#d# de j#nel# de estrutur# D, # e)ici+nci# de
luminesc+nci# é e0trem#mente #lt# nesse tipo de LED&
fig 3.8
Características técnicas
Principi#s tipos de LED:
Em ger#l, os leds oper#m com n%$el de tensão de C,G # ,F, sendo comp#t%$eis com os circuitos de est#do sólido& ' pot+nci# necessári# está n# )#i0# t%pic# de C@ # CJ@ mS, com um tempo de $id# 5til de C@@&@@@ ou m#is hor#s&
.omo o led é um dispositi$o de junção P-, su# c#r#cter%stic# de pol#riz#ção diret# é semelh#nte 1 de um diodo semicondutor& ;endo pol#riz#do, # m#iori# dos )#2ric#ntes #dot# um *código* de identi)ic#ção p#r# # determin#ção e0tern# dos termin#is ' (#nodo! e T (cátodo! dos leds&
os leds redondos, como n# )igur# #o l#do, du#s codi)ic#çes são comuns: identi)ic#-se o termin#l T como sendo #"uele junto # um pe"ueno ch#n)ro n# l#ter#l d# 2#se circul#r do seu in$ólucro (*corpo*!, ou por ser o termin#l m#is curto dos dois& E0istem )#2ric#ntes "ue #dot#m simult#ne#mente #s du#s )orm#s de identi)ic#ção&
os leds ret#ngul#res, #lguns )#2ric#ntes m#rc#m o termin#l T com um pe"ueno *#l#rg#mento* do termin#l junto 1 2#se do componente, ou então dei0#m esse termin#l m#is curto&
U#s, pode #contecer do componente não tr#zer "u#l"uer re)er+nci# e0tern# de identi)ic#ção dos termin#is& esse c#so, se o in$ólucro )or
tr#nsp#rente, pode-se identi)ic#r o c#todo (T! como sendo o termin#l "ue contém o eletrodo interno m#is l#rgo do "ue o eletrodo do outro termin#l (#nodo!& 'lém de m#is l#rgo, 1s $ezes o c#todo é m#is 2#i0o do "ue o #nodo&
O termin#l comum pode corresponder 1 interlig#ção dos #nodos d#s junçes (leds 2icolores em *#nodo comum*! ou dos seus c#todos (leds 2icolores em *c#todo comum*!&
Em2or# norm#lmente sej# tr#t#do por led 2icolor ($ermelho8$erde!, esse tipo de led é n# re#lid#de um *tricolor*, já "ue #lém d#s du#s cores independentes, c#d# "u#l ger#d# em um# junção, ess#s du#s junçes podem ser simult#ne#mente pol#riz#d#s, result#ndo n# emissão de luz
#l#r#nj#d#&
.omo o diodo, o led não pode rece2er tensão diret#mente entre seus termin#is,um# $ez "ue # corrente de$e ser limit#d# p#r# "ue # junção não sej# d#ni)ic#d#& 'ssim, o uso de um resistor limit#dor em série com o led é comum nos circuitos "ue o utiliz#m&
Vipic#mente, os leds gr#ndes (de #pro0im#d#mente J mm de di=metro, "u#ndo redondos! tr#2#lh#m com correntes d# ordem de C> # >@ m' e os pe"uenos (com #pro0im#d#mente mm de di=metro! oper#m com # met#de desse $#lor (de G # C@ m'!&
Os leds não suport#m tensão re$ers# (Fr! de $#lor signi)ic#ti$o, podendo d#ni)ic#r-se com #pen#s JF de tensão nesse sentido& Por isso, "u#ndo #liment#do por tensão .&'&, o led costum# ser #comp#nh#do de um diodo reti)ic#dor em #nti-p#r#lelo, com # )in#lid#de de conduzir os semi-ciclos nos "u#is ele - led - )ic# no corte, limit#ndo ess# tensão re$ers# em torno de @,BF (tensão diret# má0im# do diodo!, ou sej#, em um $#lor su)icientemente 2#i0o p#r# "ue su# junção não se d#ni)i"ue&
Eletric#mente, LedQs são meros diodos P (e0ceto pelo ;i.!& O m#is import#nte p#r=metro p#r# oper#ção norm#l é # tensão F) (t#2el# C, terceir# colun# d# direit#! onde o $#lor
numérico em F ($olts! corresponde #pro0im#d#mente #o 2#ndg#p do semicondutor us#do&
fig 4.2
' $elocid#de do Led é c#r#cteriz#d# pelo seu tempo de ch#$e#mento, en"u#nto tipos indiretos são consider#$elmente m#is de$#g#r de$ido #o especi#l mec#nismo de recom2in#çes&
4er#lmente LEDQs são ro2ustos e seu tempo de $id# (#pro0im#d#mente C@J hor#s! são
m#is e)icientes p#r# pr#tic#mente tod#s #s #plic#çes&
De$ido #o rápido #umento de corrente em su# direção, ledQs são sempre conect#dos em um elemento limit#dor de corrente& # )igur# #o l#do #present#mos o ponto de tr#2#lho, sendo utiliz#do em resistor em série #o
led&
Dimension#mento reduzido, permitindo m#ior gr#u de mini#turiz#ção, #lém do "ue #present#m m#ior ro2ustez mec=nic#, em rel#ção 1 l=mp#d# com )il#mento&
Aplicações e Curiosidades
4er#lmente, os leds são utiliz#dos em su2stituição 1s l=mp#d#s de sin#liz#ção ou l=mp#d#s pilotos nos p#inéis dos instrumentos e #p#relhos di$ersos& P#r# )i0#ção nesses p#inéis, é comum o uso de suportes plásticos com rosc#&
' m#iori# dos L#sers comerci#is de hoje, #té mesmo os l#sers dispon%$eis em "u#l"uer tr#2#lh#dor do merc#do #m2ul#nte é compost# por um led&
Os diodos emissores de luz são empreg#dos t#m2ém n# construção dos displ#Ms #l)#-numéricos ()igur# #o l#do!&
's pes"uis#s com led, e0istem em l#2or#tórios desde o in%cio dos
#nos G@, m#s su# utiliz#ção só começou # se torn#r popul#r # p#rtir de B@&
'2#i0o está o e0emplo de um dos primeiros led6s de r#di#ção $is%$el, o mons#nto m$>, cri#do pel# Uons#nto p#r# # P&
'ntig#mente os Leds não tinh#m muit#s #plic#çes, #pen#s em displ#Ms, onde o 2rilho não er# import#nte, m#s nos 5ltimos tempos, o led tem se torn#do c#d# $ez m#is, um# )onte con)iá$el de luz, com 2rilho, intensid#de e comprimentos de ond# e0#tos p#r# c#d# #plic#ção e estão sendo c#d# $ez m#is utiliz#dos p#r# ilumin#ção de #m2ientes&
;em cont#r #s outr#s di$ers#s #plic#çes em "ue o led é )und#ment#l, como controles
remotos (leds in)r#$ermelhos!, L#sers (di$ersos tipos de led! #plic#dos n# medicin#,
n# ind5stri#, sin#liz#çes em ger#l, monitores, etc&
Bilio!ra"ia
Li$ros e .#tálogos
.'VWLO4O OLE O;X'U, http:YYRRR&osr#m&com&2r - >@@?-@I-C
VELEZ9TE Uicroelectronic 4m2, Leds and Displa#s Data Boo$ [s&n&\, CIIG
.OELU' Vecnologi# ;iemens, %ptoeletr&nica - Cat'lo!o resumido
'LT';, Uillm#n, Eletr&nica (ol) *) Ed& Uc4r#R ill do Kr#sil, [s& #&\
OPVO VechnologM, nc, %ptoEletronics Data Boo$
;EDX', ;UV,+icroeletr&nica ,a Ed) Ed& U#]ron Koo]s, [s& #&\ .onsult#s Eletr<nic#s
Uuseu Online do LED, http:YYledmuseum&home&#tt&netYledle)t&htm - .onsult#do em @IY>@@? ;ite no$#ção Vecnológic#, http:YYRRR&ino$#c#otecnologic#&com&2rYnotici#sY@B@CC@@C@I@B&html - .onsult#do em @IY>@@?
;ite 'K. d# Eletr<nic#, http:YYRRRcd#eletronic#&cj2&netY - .onsult#do em @IY>@@?
;ite d# Z#culd#de de Engenh#ri# de ;oroc#2#, http:YYRRR&li&)#cens&2rYeletronic# - .onsult#do em @IY>@@?
;ite O Eletr<nico/, http:YYRRR&oeletronico&hpg&ig&com&2rYlin]s&htm - .onsult#do em @IY>@@?
