Mostrar código-fonte de Diodo emissor de luz

{{Info/Componente eletrônico
| componente                = Diodo emissor de luz
| imagem                    = RBG-LED.jpg
| imagem-tamanho            = 220px
| legenda                   = Três LEDs comuns
| tipo                      = Passivo, [[Optoeletrônica|optoeletrônico]]
| princípio                 = [[Eletroluminescência]]
| inventor                  = [[Nick Holonyak]]
| ano                       = 1962
| função                    = Emitir luz
| símbolo                   = [[Imagem:LED symbol.svg|150px]]
}}
O '''diodo emissor de luz''' (sigla '''LED''', em [[Língua inglesa|inglês]]: '''''l'''ight-'''e'''mitting '''d'''iode''), é usado para a emissão de [[luz]] em locais e instrumentos onde se torna mais conveniente a sua utilização no lugar de uma [[lâmpada]]. Especialmente utilizado em produtos de microeletrônica como sinalizador de avisos, também pode ser encontrado em tamanho maior, como em alguns modelos de [[semáforo]]s. Também é muito utilizado em painéis de LED, cortinas de LED, pistas de LED e postes de iluminação pública, permitindo uma redução significativa no consumo de eletricidade.{{Nota de rodapé|Segundo o dicionário Houaiss, embora a forma ''diodo'' seja a mais usual, a forma preferível é díodo. O mesmo dicionário regista ainda a forma ''diódio''.<ref>{{Citar enciclopédia|encyclopedia=Dicionário Houaiss da Língua Portuguesa|title=Díodo|last=Houaiss |first=Antônio |editor=Instituto Antônio Houaiss de Lexicografia |year=2001 |publisher=Temas & Debates |volume=VII |location=Lisboa |pages=3001 }}</ref> O dicionário Aurélio, porém, registra ''diodo'' como a forma preferível.<ref>{{Citar enciclopédia |sobrenome=Ferreira |nome=Aurélio Buarque de Holanda |autor= |autorlink=Aurélio Buarque de Holanda Ferreira |coautores= |editor= |enciclopédia=Novo Dicionário da Língua Portuguesa |título=Diodo |url= |dataacesso= |anoacesso= |mêsacesso= |edição=2 |data= |ano=1986 |mês= |editora=Nova Fronteira |volume= |local=Rio de Janeiro |isbn= |doi= |página=592 |citação= }}</ref>}}<ref>http://www.engenhariacivil.com/iluminacao-publica-led-india</ref>

Em 7 de outubro de 2014, os inventores dos diodos emissores de luz azul foram laureados com o [[Prêmio Nobel de Física]].<ref>{{citar web|URL = http://g1.globo.com/ciencia-e-saude/noticia/2014/10/trio-ganha-nobel-de-fisica-por-invencao-de-luz-que-economiza-energia.html|título = Trio ganha Nobel de Física por viabilizar uso de LED para iluminação|data = 7 de outubro de 2014|acessadoem = |autor = |publicado = }}</ref>

== Características ==

[[Ficheiro:Verschiedene LEDs.jpg|thumb|Diferentes tipos de lâmpadas de LED.]]

O LED é um [[diodo]] [[semicondutor]] ([[Junção PN|junção P-N]]) que quando é energizado emite [[luz]] visível – por isso LED (Diodo Emissor de Luz). A [[luz]] não é [[monocromático|monocromática]] (como em um [[laser]]), mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita e é produzida pelas interações energéticas do [[electrão|eletrão]] ''(português europeu)''/elétron ''(português brasileiro)''. O processo de emissão de [[luz]] pela aplicação de uma fonte elétrica de [[energia]] é chamado ''eletroluminescência''.

Em qualquer junção P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, próximo à junção, ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. Essa recombinação exige que a energia possuída pelos eletrões seja liberada, o que ocorre na forma de [[calor]] ou [[fóton]]s de luz .

No [[silício]] e no [[germânio]], que são os [[elementos]] básicos dos [[diodos]] e [[transistor]]es, entre outros componentes eletrônicos, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida (devido à opacidade do material), e os componentes que trabalham com maior capacidade de corrente chegam a precisar de irradiadores de calor (dissipadores) para ajudar na manutenção dessa temperatura em um patamar tolerável.

Já em outros materiais, como o [[arsenieto de gálio]] (GaAs) ou o fosfeto de gálio (GaP), a quantidade de fótons de luz emitida é suficiente para constituir fontes de luz bastante eficientes.

A forma simplificada de uma junção P-N de um LED demonstra seu processo de eletroluminescência. O material dopante de uma área do [[semicondutor]] contém [[átomo]]s com um elétron a menos na [[banda de valência]] em relação ao material semicondutor. Na ligação, os [[íon|iõe]]s desse material dopante (iões "aceitadores") removem elétrons de valência do semicondutor, deixando "lacunas" (ou buracos), fazendo com que o semicondutor torne-se do tipo P. Na outra área do semicondutor, o material dopante contém átomos com um eletrão a mais do que o semicondutor puro em sua faixa de valência. Portanto, na ligação esse elétron fica disponível sob a forma de eletrão livre, formando o semicondutor do tipo N.

[[Ficheiro:Digital Clock 1232.JPG|thumb|left|Relógio com tela de LED.]]
Os semicondutores também podem ser do tipo compensados, isto é, possuem ambos os dopantes (P e N). Neste caso, o dopante em maior concentração determinará a que tipo pertence o semicondutor. Por exemplo, se existem mais dopantes que levariam ao P do que do tipo N, o semicondutor será do tipo P. Isso implicará, contudo, na redução da Mobilidade dos Portadores.

A Mobilidade dos Portadores é a facilidade com que cargas n e p (eletrões e buracos) atravessam a estrutura cristalina do material sem colidir com a vibração da estrutura. Quanto maior a mobilidade dos portadores, menor será a perda de energia, portanto mais baixa será a [[resistividade]].

Na região de contato das áreas, eletrões e lacunas se recombinam, criando uma fina camada praticamente isenta de portadores de carga, a chamada barreira de potencial, onde há apenas os iões "doadores" da região N e os íons "aceitadores" da região P que, por não apresentarem portadores de carga, "isolam" as demais lacunas do material P dos outros eletrões livres do material N.

Um elétron livre ou uma lacuna só pode atravessar a barreira de potencial mediante a aplicação de energia externa (polarização direta da junção). Nesse ponto ressalta-se um fato físico do semicondutor: nesse material, os eletrões só podem assumir determinados níveis de energia (níveis discretos), sendo as bandas de valência e de condução as de maiores níveis energéticos para os eletrões ocuparem.

A região compreendida entre o topo da de valência e a parte inferior da de condução é a chamada "banda proibida". Se o material semicondutor for puro, não terá elétrons nessa banda (daí ser chamada "proibida"). A recombinação entre elétrons e lacunas, que ocorre depois de vencida a barreira de potencial, pode acontecer na banda de valência ou na proibida. A possibilidade dessa recombinação ocorrer na banda proibida se deve à criação de estados eletrônicos de energia nessa área pela introdução de outras impurezas no material.

Como a recombinação ocorre mais facilmente no nível de [[energia]] mais próximo da [[banda de condução]], pode-se escolher adequadamente as impurezas para a confecção dos LEDs, de modo a exibirem bandas adequadas para a emissão da cor de luz desejada (comprimento de onda específico).

== Funcionamento ==

[[Imagem:+- of Led.svg|thumb|150px]]

A luz emitida não é monocromática, mas a banda colorida é relativamente estreita. A cor, portanto, depende do cristal e da impureza de dopagem com que o componente é fabricado. O LED que utiliza o [[arsenieto de gálio]] emite radiações [[infravermelho|infravermelhas]]. Dopando-se com fósforo, a emissão pode ser vermelha ou amarela, de acordo com a concentração. Utilizando-se fosfeto de gálio com dopagem de nitrogênio, a luz emitida pode ser verde ou amarela. Hoje em dia, com o uso de outros materiais, consegue-se fabricar leds que emitem luz azul, violeta e até ultravioleta. Existem também os leds brancos, mas esses são geralmente leds emissores de cor azul, revestidos com uma camada de fósforo do mesmo tipo usado nas lâmpadas fluorescentes, que absorve a luz azul e emite a luz branca. Com o barateamento do preço, seu alto rendimento e sua grande durabilidade, esses leds tornam-se ótimos substitutos para as lâmpadas comuns, e devem substituí-las a médio ou longo prazo. Existem também os leds brancos chamados RGB (mais caros), e que são formados por três "chips", um vermelho (R de red), um verde (G de green) e um azul (B de blue). Uma variação dos LEDs RGB são LEDs com um microcontrolador integrado, o que permite que se obtenha um verdadeiro show de luzes utilizando apenas um LED.

Encontra-se o aspecto físico de alguns LEDs e o seu símbolo elétrico.

Em geral, os LEDs operam com nível de tensão de 1,6 a 3,3 V, sendo compatíveis com os circuitos de estado sólido. É interessante notar que a tensão é dependente do comprimento da onda emitida. Assim, os leds infravermelhos geralmente funcionam com menos de 1,5V, os vermelhos com 1,7V, os amarelos com 1,7V ou 2.0V, os verdes entre 2.0V e 3.0V, enquanto os leds azuis, violeta e ultravioleta geralmente precisam de mais de 3V. A potência necessária está na faixa típica de 10 a 150&nbsp;mW, com um tempo de vida útil de 100.000 ou mais horas.

[[Imagem:Exemplo de Lanterna baseada em LED.JPG|thumb| Lanterna baseada em LEDs de alto brilho com baixo consumo de energia.]]
Como o LED é um dispositivo de junção P-N, sua característica de polarização direta é semelhante à de um diodo semicondutor.

Sendo polarizado, a maioria dos fabricantes adota um "código" de identificação para a determinação externa dos terminais A (ânodo) e K (cátodo) dos LEDs.

Nos LEDs redondos, duas codificações são comuns: identifica-se o terminal K como sendo aquele junto a um pequeno chanfro na lateral da base circular do seu invólucro ("corpo"), ou por ser o terminal mais curto dos dois. Existem fabricantes que adotam simultaneamente as duas formas de identificação.

Nos LEDs retangulares, alguns fabricantes marcam o terminal K com um pequeno "alargamento" do terminal junto à base do componente, ou então deixam esse terminal mais curto.

Mas, pode acontecer do componente não trazer qualquer referência externa de identificação dos terminais. Nesse caso, se o invólucro for semi-transparente, pode-se identificar o cátodo (K) como sendo o terminal que contém o eletrodo interno mais largo do que o eletrodo do outro terminal (anodo). Além de mais largo, às vezes o cátodo é mais baixo do que o anodo.

Os diodos emissores de luz são empregados também na construção dos [[display]]s alfa-numéricos.

Há também LEDs bi-colores, que são constituídos por duas junções de materiais diferentes em um mesmo invólucro, de modo que uma inversão na polarização muda a cor da luz emitida de verde para vermelho, e vice-versa. Existem ainda LEDs bicolores com três terminais, sendo um para acionar a junção dopada com material para produzir luz verde, outro para acionar a junção dopada com material para gerar a luz vermelha, e o terceiro comum às duas junções. O terminal comum pode corresponder à interligação dos anodos das junções (LEDs bicolores em ''ánodo comum'') ou dos seus cátodos (LEDs bi-colores em ''cátodo comum'').

Embora normalmente seja tratado por LED bicolor (vermelho+verde), esse tipo de LED é na realidade um "tricolor", já que além das duas cores independentes, cada qual gerada em uma junção, essas duas junções podem ser simultaneamente polarizadas, resultando na emissão de luz alaranjada.

Geralmente, os LEDs são utilizados em substituição às lâmpadas de sinalização ou lâmpadas pilotos nos painéis dos instrumentos e aparelhos diversos. Para fixação nesses painéis, é comum o uso de suportes plásticos com rosca.

Como o diodo, o LED não pode receber tensão diretamente entre seus terminais, uma vez que a corrente deve ser limitada para que a junção não seja danificada. Assim, o uso de um resistor limitador em série com o LED é comum nos circuitos que o utilizam. Para calcular o valor do resistor usa-se a seguinte fórmula: R = (Vfonte-VLED)/ILED, onde Vfonte é a tensão disponível, VLED é a tensão correta para o LED em questão e ILED é a corrente que ele pode suportar com segurança.

Tipicamente, os LEDs grandes (de aproximadamente 5&nbsp;mm de diâmetro, quando redondos) trabalham com correntes da ordem de 12 a 30 mA e os pequenos (com aproximadamente 3&nbsp;mm de diâmetro) operam com a metade desse valor.

Assim:

Adotamos I1 = 15 mA e I2 = 8 mA, Vfonte = 12 V, VLED = 2 V:

R1 = (12 - 2)/0,015 = 10/0,015 = 680*

R2 = (12 - 2)/0,008 = 10/0,008 = 1K2*

Aproximamos os resultados para os valores comerciais mais próximos.

Os LEDs não suportam '''tensão reversa''' (Vr) de valor significativo, podendo-se danificá-los com apenas 5 V de tensão nesse sentido. Por isso, quando alimentado por [[tensão elétrica|tensão]] [[corrente alternada|C.A.]], o LED costuma ser acompanhado de um diodo [[retificador]] em antiparalelo (polaridade invertida em relação ao LED), com a finalidade de conduzir os semi-ciclos nos quais ele - o LED - fica no corte, limitando essa tensão reversa em torno de 0,7V (tensão direta máxima do diodo), um valor suficientemente baixo para que sua junção não se danifique. Pode-se adotar também uma [[ligação em série]] entre o diodo de proteção e o LED.

A energia eletrostática que os portadores de carga perdem na passagem da interface entre
os dois semicondutores é transformada em luz. Essa energia corresponde à diferença
entre dois níveis de energia no semicondutor, e tem um valor específico próprio dos
semicondutores usados no LED.

A energia que transporta cada fotão é dada pela equação ,<math>U=hf</math>.<ref name=Villate>[ ''Eletricidade e Magnetismo''. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. [[Creative Commons]] Atribuição-Partilha (versão 3.0) [[ISBN]] 978-972-99396-2-4. Acesso em 21 jun. 2013.</ref>

Consequentemente, os fotões emitidos no LED terão todos aproximadamente a mesma frequência, igual
à diferença entre os níveis de energia dos eletrões nos dois elétrodos do LED, dividida pela
[[constante de Planck]]; isso implica que a luz do LED é monocromática. Assim, a cor da
luz emitida pelo LED dependerá do semicondutor usado. A tabela abaixo mostra as cores
próprias de alguns semicondutores.

[[Imagem:Tabela luz comp.png|thumb|center|600px|Cores associadas a alguns semicondutores usados atualmente.]]

Quando circula corrente pelo LED, cada carga de condução que atravessa a interface no
LED perde uma energia correspondente à energia de um fotão. Assim, a curva caraterística
do LED será semelhante à caraterística de um receptor, com ordenada na origem positiva,
e declive constante positivo (figura abaixo).<ref name=Villate>[ ''Eletricidade e Magnetismo''. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. [[Creative Commons]] Atribuição-Partilha (versão 3.0) [[ISBN]] 978-972-99396-2-4. Acesso em 21 jun. 2013.</ref>

[[Imagem:Tensão led.png|thumb|center|600px|Caraterística tensão-corrente de um LED.]]

A força contra-eletromotriz do LED, <math>\varepsilon'</math> (ordenada na
origem da caraterística tensão-corrente), é a energia, por unidade de
carga, que as cargas de condução perdem na passagem pelo LED e que é
convertida em luz.<ref name=Villate>[ ''Eletricidade e Magnetismo''. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. [[Creative Commons]] Atribuição-Partilha (versão 3.0) [[ISBN]] 978-972-99396-2-4. Acesso em 21 jun. 2013.</ref>


Assim, a energia que cada eletrão perde quando atravessa a interface
entre os dois semicondutores é igual a: <math>e\,\varepsilon'</math>. <ref name=Villate>[ ''Eletricidade e Magnetismo''. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. [[Creative Commons]] Atribuição-Partilha (versão 3.0) [[ISBN]] 978-972-99396-2-4. Acesso em 21 jun. 2013.</ref>

Essa energia é a
energia do fotão que será emitido:

<math>
 e\,\varepsilon' = h\,f = \frac{h\,c}{\lambda} 
</math>

onde <math>c</math> é a velocidade da luz e <math>\lambda</math> o comprimento de onda da
luz emitida.

Resolvendo para <math>h</math> na equação acima obtemos:
<math>
h = \frac{e\,\varepsilon'\,\lambda}{c}
</math>

Essa equação é útil para medir experimentalmente o valor da constante de
Planck, a partir da caraterística tensão-corrente de um LED usando,
por exemplo, a montagem experimental apresentada na
figura abaixo:<ref name=Villate>[ ''Eletricidade e Magnetismo''. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. [[Creative Commons]] Atribuição-Partilha (versão 3.0) [[ISBN]] 978-972-99396-2-4. Acesso em 21 jun. 2013.</ref>

== Ver também ==

* [[AMOLED]]
* [[LED branco]]
* [[LCD]]
* [[Lâmpada]]
* [[OLED]]
* [[Eletricidade]]
* [[Benelus]]
{{Commons|LED|LED}}

{{Notas}}

{{referências}}

{{Tecnologias de monitores}}

{{DEFAULTSORT:Led}}

[[Categoria:Componentes eletrônicos]]
[[Categoria:Semicondutores]]
[[Categoria:Diodos]]
[[Categoria:Diodos emissores de luz]]
[[Categoria:Década de 1930 na ciência]]