Un LED (light emitting diode) è un diodo che emette luce quando è polarizzato direttamente. Il principio fisico è l’elettroluminescenza: elettroni e lacune si ricombinano in un materiale semiconduttore e una parte dell’energia rilasciata viene emessa sotto forma di fotoni.
L’energia del fotone emesso è legata, in prima approssimazione, al bandgap del materiale:
Poiché:
la lunghezza d’onda, e quindi il colore, dipende dal materiale attivo. Per questo LED rossi, verdi, blu o ultravioletti richiedono semiconduttori diversi. Un LED non sceglie il colore con un filtro, come accade in molte sorgenti tradizionali: lo genera direttamente attraverso la struttura energetica del materiale.
Giunzione polarizzata direttamente
Un LED è una giunzione p-n ottimizzata per emettere luce. In polarizzazione diretta, il terminale positivo è collegato al lato p e quello negativo al lato n. La barriera di potenziale della giunzione si riduce, gli elettroni vengono iniettati verso la regione p e le lacune verso la regione n. Nella regione attiva le due popolazioni possono incontrarsi e ricombinarsi.
In una giunzione ideale la relazione corrente-tensione è descritta dalla legge del diodo:
dove I_s è la corrente inversa di saturazione, n il fattore di idealità e:
la tensione termica. Nella pratica il LED ha anche resistenze serie, limiti termici e una tensione diretta V_F dipendente da materiale, corrente e temperatura.
Questa caratteristica spiega una regola progettuale fondamentale: un LED non deve essere alimentato come una lampadina resistiva. Piccole variazioni di tensione possono produrre grandi variazioni di corrente. Per questo serve un resistore di limitazione nelle applicazioni semplici o, meglio, un driver a corrente controllata nelle applicazioni di potenza, illuminazione e display.
Ricombinazione radiativa
Quando un elettrone in banda di conduzione si ricombina con una lacuna in banda di valenza, l’energia può essere rilasciata in modi diversi. Se la ricombinazione è radiativa, viene emesso un fotone. Se è non radiativa, l’energia viene trasferita al reticolo cristallino o a difetti del materiale, diventando calore.
I LED efficienti usano materiali a bandgap diretto o eterostrutture in cui la transizione radiativa è favorita. Nel silicio, che ha bandgap indiretto, la ricombinazione radiativa è poco efficiente: per questo un normale diodo al silicio non è una buona sorgente luminosa.
La frequenza della radiazione emessa è:
e la lunghezza d’onda corrispondente è:
Queste formule vanno lette come approssimazioni. Il colore reale dipende anche da composizione del materiale, temperatura, tensioni meccaniche, drogaggio, struttura quantistica, larghezza spettrale e package ottico.
Materiali e colori
Le diverse famiglie di LED usano materiali diversi perché nessun semiconduttore copre in modo efficiente tutto lo spettro visibile.
| Colore o banda | Materiali tipici | Nota |
|---|---|---|
| Infrarosso | GaAs, AlGaAs | telecomandi, sensori, comunicazioni ottiche |
| Rosso, arancio, giallo | AlGaInP, GaAsP | segnalazione, display, illuminazione colorata |
| Verde, blu, ultravioletto | InGaN, GaN, AlGaN | LED blu, bianchi con fosfori, UV |
| Bianco | LED blu più fosfori, oppure combinazione RGB | illuminazione generale e retroilluminazione |
Il LED bianco più comune non emette bianco direttamente dalla giunzione. Un chip blu, spesso basato su GaN/InGaN, eccita un fosforo che riemette parte dell’energia a lunghezze d’onda maggiori. La somma della luce blu residua e della luce convertita appare bianca.
Questo introduce un compromesso: il fosforo permette luce bianca efficiente e compatta, ma determina resa cromatica, temperatura di colore, stabilità nel tempo e parte delle perdite ottiche.
Efficienza: dal fotone interno alla luce utile
Il rendimento di un LED dipende da:
- efficienza interna di ricombinazione radiativa;
- estrazione ottica della luce dal chip;
- perdite resistive;
- temperatura di giunzione;
- qualità del package;
- alimentazione elettrica.
Si distinguono diversi livelli di efficienza. L’efficienza quantica interna misura quanti fotoni vengono generati nella regione attiva rispetto alle coppie elettrone-lacuna iniettate:
L’efficienza quantica esterna tiene conto anche dei fotoni che riescono davvero a uscire dal dispositivo:
La differenza tra le due è cruciale. Un fotone può essere generato correttamente ma restare intrappolato nel chip per riflessione interna, essere riassorbito o perso nel package. Per questo i LED usano lenti, superfici testurizzate, riflettori, substrati trasparenti e geometrie pensate per estrarre luce.
Dal punto di vista energetico interessa anche il rapporto tra potenza ottica utile e potenza elettrica assorbita:
Questa grandezza, detta spesso wall-plug efficiency, non coincide con la percezione luminosa umana. Per l’illuminazione si usa anche l’efficacia luminosa, espressa in lumen per watt, che pesa la radiazione secondo la sensibilità dell’occhio.
Corrente, calore e droop
La luce emessa da un LED aumenta con la corrente, ma non indefinitamente e non in modo perfettamente lineare. A correnti elevate compaiono riscaldamento, perdite resistive, saturazione dei processi radiativi e fenomeni di efficiency droop, cioè riduzione dell’efficienza a densità di corrente alta.
La potenza elettrica assorbita è:
Solo una parte diventa luce. Il resto diventa calore:
Il calore deve essere rimosso attraverso giunzione, substrato, package, circuito stampato, dissipatore e ambiente. La temperatura di giunzione influenza flusso luminoso, colore, tensione diretta e vita utile. Nei LED di potenza, la progettazione termica è parte essenziale del progetto elettrico.
La tensione diretta tende a diminuire con la temperatura. Se un LED è alimentato a tensione quasi costante, il riscaldamento può far aumentare la corrente, che aumenta ancora il riscaldamento. Il driver a corrente controllata evita questa deriva e rende prevedibile il flusso luminoso.
OLED
Un OLED (organic light emitting diode) usa strati organici elettroluminescenti invece di semiconduttori inorganici cristallini. La struttura comprende elettrodi, strati di trasporto di carica e strato emissivo. Quando elettroni e lacune si ricombinano nel materiale organico, viene emessa luce.
Una struttura OLED semplificata contiene:
| Strato | Funzione |
|---|---|
| Anodo trasparente | inietta lacune e lascia uscire la luce |
| Strato di trasporto lacune | facilita il moto delle lacune |
| Strato emissivo | luogo principale di ricombinazione |
| Strato di trasporto elettroni | facilita il moto degli elettroni |
| Catodo | inietta elettroni |
Nei materiali organici la ricombinazione genera eccitoni, cioè stati legati elettrone-lacuna. Il decadimento radiativo di questi stati produce luce. La gestione degli eccitoni è uno dei temi centrali degli OLED: materiali fluorescenti, fosforescenti e TADF cercano di aumentare la quota di stati che produce fotoni utili.
La differenza ingegneristica principale è che l’OLED può essere una sorgente luminosa superficiale e molto sottile. Nei display, ogni subpixel può emettere direttamente luce, senza retroilluminazione. Questo consente neri profondi, alto contrasto e strutture flessibili.
Nei display OLED ogni pixel è pilotato da un circuito di controllo, spesso realizzato con transistor a film sottile. Spegnere un pixel significa annullare la sua emissione: per questo il nero è realmente nero, a differenza dei display LCD retroilluminati, dove la luce di fondo deve essere bloccata da filtri e cristalli liquidi.
LED e OLED a confronto
LED inorganici e OLED condividono il principio dell’elettroluminescenza, ma sono ottimizzati per problemi diversi.
| Aspetto | LED inorganico | OLED |
|---|---|---|
| Materiale emissivo | semiconduttori cristallini inorganici | molecole organiche o polimeri |
| Geometria tipica | sorgente puntiforme o chip compatto | sorgente superficiale sottile |
| Efficienza e potenza | molto alta nei LED moderni | ottima per display, più delicata ad alta luminanza |
| Robustezza | elevata, se ben dissipato | più sensibile a umidità, ossigeno e degrado organico |
| Display | microLED, retroilluminazione, indicatori | pixel autoemissivi ad alto contrasto |
| Illuminazione | molto diffusa | possibile, ma meno dominante |
La scelta non è “LED migliore di OLED” o viceversa. Dipende dalla funzione. Per una lampada efficiente e robusta, il LED inorganico è spesso la scelta naturale. Per un display sottile, autoemissivo e ad alto contrasto, l’OLED offre vantaggi specifici.
Limiti termici e degrado
LED e OLED trasformano una parte dell’energia in calore. La gestione termica è decisiva: temperature elevate riducono efficienza, stabilità cromatica e vita utile. Nei LED inorganici il degrado può riguardare chip, fosfori, incapsulante, saldature, package e ottiche. Negli OLED, inoltre, i materiali organici degradano nel tempo; i subpixel blu sono spesso i più critici perché richiedono fotoni più energetici e materiali più sollecitati.
Nei display OLED, l’invecchiamento differenziale dei subpixel può generare variazioni cromatiche o burn-in: aree che hanno emesso più a lungo o più intensamente perdono luminanza più rapidamente. I sistemi moderni riducono il problema con compensazioni elettroniche, gestione della luminosità, pixel shifting e materiali più stabili, ma il vincolo fisico resta importante.
Nei LED bianchi, invece, una parte del degrado può manifestarsi come calo di flusso luminoso o spostamento della temperatura di colore. Per questo la vita utile viene spesso definita non come guasto improvviso, ma come tempo necessario perché il flusso scenda a una certa frazione del valore iniziale.
Applicazioni rappresentative
Nei segnalatori e indicatori, il LED è ideale perché è compatto, efficiente, veloce e disponibile in colori definiti.
Nell’illuminazione, i LED bianchi hanno sostituito molte sorgenti tradizionali grazie a efficienza, durata, controllo elettronico e compatibilità con ottiche compatte.
Nelle comunicazioni ottiche, LED e laser a semiconduttore trasformano segnali elettrici in radiazione modulata. Il LED è meno coerente e meno direzionale del laser, ma può essere sufficiente per collegamenti a corto raggio e sensori.
Nei display OLED, ogni subpixel è una sorgente luminosa controllabile. Questo consente contrasto elevato, tempi di risposta rapidi e pannelli sottili, ma richiede controllo accurato di corrente, compensazione e protezione dei materiali organici.
Sintesi operativa
Il principio comune di LED e OLED è la conversione diretta di energia elettrica in radiazione luminosa tramite ricombinazione di cariche. Nel LED inorganico la ricombinazione avviene in un semiconduttore cristallino; nell’OLED avviene in strati organici sottili, dove elettroni e lacune formano eccitoni che possono decadere emettendo luce.
Il LED è un dispositivo semplice solo in apparenza. Dietro l’emissione luminosa ci sono bandgap, giunzioni, materiali a ricombinazione radiativa, estrazione ottica, driver in corrente e gestione termica. Le differenze tra LED e OLED riguardano materiali, geometria di emissione, pilotaggio, efficienza e durata, ma entrambi rappresentano una delle applicazioni più importanti della fisica dei semiconduttori e dei materiali.