Come Funziona un LED: Principi di Fisica ed Elettronica

Hai sicuramente visto display LED o fonti luminose LED di recente, forse stai guardando uno schermo con questa tecnologia proprio ora. LED sta per "Light Emitting Diode" (diodo a emissione di luce) ed è diventato onnipresente: lampade, orologi digitali, semafori, fari auto, display testuali, cellulari, TV e innumerevoli dispositivi elettronici. Dietro questo dispositivo apparentemente semplice si cela una tecnologia affascinante che unisce elettronica e fisica avanzata.

Bande di Energia

Per capire come funzionano i LED, occorre comprendere i fondamenti. L'elettricità consiste in elettroni che possono comportarsi come particelle o onde. Immagina un materiale solido con due bande energetiche: banda di valenza e banda di conduzione. Perché un solido conduca elettricità, gli elettroni devono passare dalla banda di valenza a quella di conduzione. La differenza tra un metallo (conduttore) e un isolante è che l'isolante ha un "band gap" (gap di banda) tra le due bande, ostacolando il salto degli elettroni.

Semiconduttori

Alcuni isolanti possono essere costretti a far fluire elettroni applicando energia (calore o luce). L'energia eccita gli elettroni nella banda di valenza abbastanza da farli saltare il band gap verso la banda di conduzione. Questi materiali, chiamati semiconduttori, costituiscono la maggior parte dei componenti elettronici. Un tipo di semiconduttore è il diodo.

Diodi

L'elettricità tende a fluire in tutte le direzioni, ma i circuiti elettronici richiedono flusso unidirezionale. I diodi lo permettono agendo come una corsia a senso unico: in una direzione conducono, nell'opposta isolano e bloccano il flusso.

I LED: Diodi Emettitori di Luce

L'unica differenza tra un diodo "normale" e un LED è il materiale. Un diodo standard usa semiconduttori al silicio, mentre un LED impiega combinazioni di gallio, indio, alluminio, arsenico, fosforo e azoto. In ogni diodo, quando applichi corrente nella direzione "corretta", gli elettroni saltano dalla banda di valenza a quella di conduzione, lasciando spazi vuoti. Quando gli elettroni tornano a riempire questi vuoti, viene rilasciata energia. Il silicio non emette luce (solo calore), ma i materiali dei LED convertono questo spostamento in emissione luminosa.

Colori

Ogni volta che un elettrone risalta il band gap dalla banda di conduzione a quella di valenza in un LED, emette energia sotto forma di luce. L'ampiezza del band gap determina il colore. I primi LED erano rossi, ma con i progressi tecnologici e la regolazione del band gap, oggi esistono LED in una vasta gamma di colori.