Perché i LED non sono fatti di silicio o germanio: fisica del band gap
Silicio (Si) e germanio (Ge) sono semiconduttori a band gap indiretto — gli elettroni che ricombinano con le lacune rilasciano energia principalmente come calore (fononi), non come fotoni. Questo li rende terribili emettitori di luce.
Basi del band gap
- Band gap diretto: L'elettrone cade direttamente attraverso → fotone emesso (GaAs, GaN, InGaN, AlGaInP).
- Band gap indiretto: L'elettrone deve cambiare momento (assistenza fonone) → probabilità fotone ~10⁻⁵ inferiore.
Confronto materiali
| Materiale | Band gap (eV) | Tipo | Emissione | Uso LED |
|---|---|---|---|---|
| Silicio (Si) | 1,12 | Indiretto | ~1100 nm (IR debole) | No (fotodiodi, solare) |
| Germanio (Ge) | 0,66 | Indiretto | ~1800 nm (IR debole) | No (ottica IR, rilevatori) |
| GaAs | 1,42 | Diretto | 870 nm (IR) | LED IR, VCSEL |
| AlGaInP | 1,9–2,3 | Diretto | Rosso, Arancione, Giallo | Visibile alta luminosità |
| InGaN/GaN | 2,8–3,4 | Diretto | Blu, Verde, Bianco (fosforo) | Tutti i LED visibili moderni |
Realtà del substrato
I LED sono cresciuti su wafer di zaffiro (Al₂O₃), SiC, o Si (per GaN-on-Si) — ma gli strati attivi emettitori di luce sono composti III-V (InGaN, AlGaInP), mai Si/Ge elementari.
Bonus termico
I substrati SiC e zaffiro gestiscono anche alta densità di corrente e calore — critico per il mantenimento del flusso luminoso.