Cos'è un diodo laser a emissione di luce?

Foto laser a diodi GUIDATO è un semiconduttore che converte l'energia elettrica in energia luminosa. Il colore della luce emessa dipende dal materiale e dalla composizione del semiconduttore. I LED sono generalmente divisi in tre lunghezze d'onda: ultravioletta, visibile e infrarossa. I LED commerciali hanno un'emissione di un singolo pixel di almeno 5 mW e una gamma di lunghezze d'onda da 360 nm a 950 nm, ciascuno realizzato con uno specifico materiale semiconduttore.

LED UV: 320-360nm

I LED UV vengono rapidamente commercializzati, in particolare per applicazioni di polimerizzazione industriale e usi medici/biomedici. Fino a poco tempo fa, il limite dei chip ad alta efficienza a lunghezza d'onda inferiore è passato da 390 nm a 360 nm e gli sviluppi nei prossimi anni potrebbero vedere la commercializzazione di chip ad alta efficienza da 320 nm nella regione.

LED da quasi ultravioletto a verde: 395 nm-530nm

Il materiale per il prodotto della gamma di lunghezze d'onda è il nitruro di indio e gallio InGaN, che è tecnicamente in grado di raggiungere una lunghezza d'onda compresa tra 395 nm e 530 nm. Tuttavia, la maggior parte dei fornitori di grandi dimensioni si concentra sulla produzione di led blu da 450 nm-475NM, utilizzati per produrre luce bianca con fosfori, e di led verdi da 520 nm-530nm per l'illuminazione verde dei semafori.

Si stanno notando rapidi progressi e una maggiore efficienza nella gamma di lunghezze d'onda blu, soprattutto mentre continua la corsa per creare sorgenti di luce bianca sempre più luminose.

Dal rosso intenso al vicino infrarosso (IRLED): 660nm-900 nm

Ci sono molte variazioni nella struttura del dispositivo in questa regione, ma tutti utilizzano materiali AlGaAs o GaAs arseniuro di gallio alluminio. C'è ancora una spinta per rendere questi dispositivi più efficienti, ma questi miglioramenti sono incrementali. Le applicazioni includono telecomando IR a infrarossi, illuminazione per visione notturna, controllo della luce industriale e varie applicazioni mediche (660nm-680nm).

Come funzionano i LED

I LED sono diodi semiconduttori che emettono luce quando viene applicata una corrente elettrica alla direzione in avanti del dispositivo. Deve essere applicata una tensione sufficiente in modo che gli elettroni passino attraverso la zona di perdita e si combinino con il buco sull'altro lato per formare una coppia elettrone-lacuna. Quando ciò accade, l'elettrone rilascia la sua energia sotto forma di luce e il risultato è l'emissione di fotoni. Il band gap di un semiconduttore determina la lunghezza d'onda della luce emessa, e una lunghezza d'onda più corta equivale a più energia, quindi un materiale con un band gap più grande emette una lunghezza d'onda più corta. Un materiale con un intervallo di banda maggiore richiede anche una tensione di conduzione più elevata. Il LED blu UV a onde corte ha una tensione diretta di 3,5 volt, mentre il LED del vicino infrarosso ha una tensione diretta di 1.5-2.0 volt.

Disponibilità ed efficienza della lunghezza d'onda

I led ad alta efficienza possono essere prodotti in qualsiasi gamma di lunghezze d'onda, solo la gamma da 535 nm a 560 nm non può produrre luci a led ad alta efficienza. I fattori più importanti nella commercializzazione di una particolare lunghezza d'onda sono legati al potenziale di mercato, alla domanda e alle lunghezze d'onda standard del settore. Ciò è particolarmente evidente nelle regioni 420nm-460nm, 480nm-520nm e 680nm-800nm, perché questi intervalli di lunghezze d'onda non sono ampiamente utilizzati. Non ci sono molti produttori che offrono prodotti LED per queste gamme di lunghezze d'onda. Tuttavia, è possibile trovare fornitori di piccole e medie dimensioni in grado di offrire queste lunghezze d'onda specifiche in base alla domanda dei clienti. Ogni tecnica materiale ha una gamma di lunghezze d'onda in cui lo spot è più efficace. Questo punto è molto vicino al centro di ogni intervallo. Man mano che il livello di drogaggio del semiconduttore aumenta o diminuisce rispetto alla quantità ottimale, l'efficienza diminuisce, motivo per cui i LED blu hanno un'emissione maggiore rispetto alla luce verde o quasi UV, l'ambra ha un'emissione maggiore rispetto al giallo-verde e il vicino infrarosso è superiore a 660 nm . Se c'è una scelta da fare, è meglio progettare per il centro della gamma piuttosto che per il bordo, è più facile ottenere il prodotto se non si opera al limite della tecnologia dei materiali.

Figura 1 - Applica l'equazione I=(Vcc-Vf)/RL per trovare il valore corrente. Per determinare in modo assoluto il flusso di corrente nel circuito, è necessario misurare ciascun LED VF e specificare la resistenza di carico appropriata. Nelle pratiche applicazioni commerciali, la Vcc è progettata per essere molto più grande della VF, in modo che piccoli cambiamenti nella VF non abbiano un grande effetto sulla corrente complessiva. Lo svantaggio di questo circuito è che c'è una grande perdita di potenza attraverso l'RL. Nelle applicazioni in cui l'intervallo di temperatura operativa è molto ristretto (meno di 30 gradi) o in cui l'uscita del LED non è critica, è possibile utilizzare un semplice circuito che utilizza un resistore limitatore di corrente, come mostrato nella figura: Un modo migliore per pilotare un LED è quello di utilizzare una sorgente di corrente costante (vedi Figura 2). Il circuito fornirà la stessa corrente da dispositivo a dispositivo e variazioni di temperatura. Ha anche un consumo energetico inferiore rispetto all'utilizzo di semplici resistori limitatori di corrente. I driver LED commerciali standard sono disponibili da molte fonti diverse. In genere, queste operazioni utilizzano il principio della modulazione di larghezza di impulso (PWM) del controllo della luminosità.

Fornire corrente e tensione al led

Sebbene i LED siano semiconduttori e richiedano una tensione minima per funzionare, sono comunque diodi e devono funzionare in modalità corrente. In modalità DC, i LED funzionano in due modi principali. Il più semplice e comune consiste nell'utilizzare un resistore limitatore di corrente (vedere la Figura 1). Lo svantaggio di questo metodo è l'elevata perdita di calore e potenza nella resistenza. Affinché la corrente rimanga stabile tra variazioni di temperatura e dispositivi, la tensione di alimentazione dovrebbe essere molto maggiore della tensione diretta del LED.

Figura 2 - Esempio di un circuito stabile preciso. Questo circuito è spesso indicato come una fonte di corrente costante. Si noti che la corrente di alimentazione è determinata dalla tensione di alimentazione (Vcc) meno Vin divisa per R1, (Vcc-VIN)/R1.

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