Mostrar código-fonte de Diodo emissor de luz

{{mais fontes|data=outubro de 2017}}
{{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:Simbolo_LED.svg|150px]]
}}
O '''diodo emissor de luz'''{{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>}} (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 incandescente|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 [[Poste|postes de iluminação pública]], permitindo uma redução significativa no consumo de [[eletricidade]].<ref>{{Citar web|url=https://www.engenhariacivil.com/iluminacao-publica-led-india|titulo=Índia vai instalar 20 milhões de LED e poupar 800 milhões de euros anualmente|data=2015-09-04|acessodata=2022-08-03|website=EngenhariaCivil.com}}</ref>

Em 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.|247x247px]]
O LED é um [[diodo semicondutor]] ([[Junção PN|junção P-N]]), que quando é energizado, emite [[luz visível]] – por isso o nome "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 [[elétron]]. 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 elétrons 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 [[Diodo semicondutor|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 ([[Dissipador de energia térmica|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 emitidos 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]]s desse material dopante 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 elétron a mais do que o semicondutor puro em sua faixa de valência. Portanto, na ligação, esse elétron fica disponível sob a forma de elétron livre, formando o semicondutor do tipo N.

[[Ficheiro:Digital Clock 1232.JPG|thumb|left|[[Relógio]] com tela de LED.|276x276px]]
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'' 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, elétrons e lacunas se recombinam, criando uma fina camada praticamente isenta de portadores de carga, a chamada ''barreira de potencial'', onde há apenas os íons "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 elétrons 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 elétrons só podem assumir determinados níveis de energia (níveis discretos), sendo as bandas de valência e de condução as de maiores níveis energéticos.

A região compreendida entre o topo da banda de valência e a parte inferior da banda 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|451x451px]]
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 [[Luz ultravioleta|ultravioleta]]. Existem também os LEDs brancos, mas esses são geralmente emissores de cor azul, revestidos com uma camada de fósforo do mesmo tipo usado nas [[Lâmpada fluorescente|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 mW, com um tempo de vida útil de 100 000 ou mais horas.

[[Imagem:Exemplo de Lanterna baseada em LED.JPG|thumb| [[Lanterna elétrica|Lanterna]] baseada em LEDs de alto brilho com baixo consumo de energia.|200x200px]]
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 (ânodo). Além de mais largo, às vezes o cátodo é mais baixo do que o ânodo.

Os diodos emissores de luz são empregados também na construção dos ''[[Display|displays]]'' alfa-numéricos.

Há também LEDs bicolores, 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 ânodos das junções (LEDs bicolores em ''ânodo 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/amarela.

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 mm de diâmetro, quando redondos) trabalham com correntes da ordem de 12 a 30 mA; e os pequenos (com aproximadamente 3 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 = 666,67 (680*)
* R2 = (12 - 2)/0,008 = 10/0,008 = 1250 (1K2*)

<nowiki>*</nowiki>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 0,7 V (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 fóton 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 fótons emitidos no LED terão todos aproximadamente a mesma frequência, igual à diferença entre os níveis de energia dos elétrons nos dois eletrodos 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 fóton. 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" />

[[Imagem:Tensão led.png|thumb|direita|250px|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" />

Assim, a energia que cada elétron perde quando atravessa a interface entre os dois semicondutores é igual a: <math>e\,\varepsilon'</math>.<ref name="Villate" />

Essa energia é a energia do fóton 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.<ref name="Villate" />

== Ver também ==
{{Commons|LED|LED}}
* [[AMOLED]]
* [[LED branco]]
* [[LCD]]
* [[OLED]]

{{Notas}}

{{referências}}

{{Tecnologias de monitores}}
{{Componentes Eletrônicos}}

{{DEFAULTSORT:Led}}

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