Descobertas e os primeiros aparelhos
  Green eletroluminescência de um ponto de contato em um cristal de SiC recria experiência original HJ Round de 1907. Eletroluminescência foi descoberto em 1907 pelo pesquisador britânico HJ Rodada de Marconi Labs, utilizando cristal de carboneto de silício e um detector de gato-suiça. russo Oleg Vladimirovich Losev independentemente informou sobre a criação de um LED em 1927. Sua pesquisa foi distribuído em russo, alemão e britânico revistas científicas, mas sem uso prático foi feito a descoberta por várias décadas.  Rubin Braunstein da Radio Corporation of America anunciou a emissão de infravermelho do arsenieto de gálio (GaAs) e outras ligas semicondutoras em 1955. Braunstein observado emissão infravermelha gerada por estruturas de diodos simples usando antimoneto gálio (GaSb), GaAs, fosfeto de índio (InP) e silício-germânio (SiGe) Ligas à temperatura ambiente e em 77 kelvin.
Em 1961, pesquisadores americanos Robert Biard e Gary Pittman trabalhar na Texas Instruments, descobriu que a radiação infravermelha emitida GaAs quando a corrente elétrica foi aplicada e recebeu a patente do diodo emissor de luz infravermelho.
A primeira prática espectro visível (vermelho) foi desenvolvido em 1962 por Nick Holonyak Jr., enquanto trabalhava para a General Electric Company. Holonyak é visto como o "pai do diodo emissor de luz". M. George Craford, um estudante anterior de Holonyak, inventou o primeiro LED amarelo e melhorou o brilho dos LEDs vermelhos e vermelho-laranja por um fator de dez em 1972. Em 1976, TP Pearsall criou o primeiro de alto brilho, LEDs de alta eficiência de telecomunicações de fibra óptica, inventando novos materiais semicondutores especificamente adaptados aos comprimentos de onda de transmissão de fibra óptica .
Até 1968, diodos emissores de luz visível e infravermelho foram extremamente caro, na ordem dos EUA US $ 200 por unidade, e por isso teve pouca utilidade prática. A Monsanto Company foi a primeira organização a produção em massa de LEDs visíveis, utilizando-se fosfeto de arsenieto de gálio, em 1968 para produzir LEDs vermelhos indicadores adequados para . Hewlett-Packard (HP) introduziu LEDs em 1968, inicialmente utilizando GaAsP fornecida pela Monsanto. A tecnologia provou ter aplicações mais importantes para displays alfanuméricos e foi integrado no início da HP, calculadoras de mão. Na década de 1970 bem sucedido comercialmente dispositivos de LED em menores de cinco centavos cada, foram produzidos pela Fairchild Optoelectronics. Estes dispositivos utilizados chips semicondutores compostos fabricados com o processo planar inventada pelo Dr. Jean Hoerni na Fairchild Semiconductor.  A combinação do tratamento planar para fabricação de chips e métodos de embalagem inovadora possibilitou a equipe liderada por Fairchild optoeletrônica pioneiro Thomas Brandt para atingir o necessária redução de custos. Estes métodos continuam a ser utilizados pelos produtores de diodo emissor de luz .   ...

Ouvir

Ler foneticamente

Dicionário - Ver dicionário detalhado

©2010Ferramentas para empresasSobre o Google TradutorBlogCompartilhe sua históriaPrivacidadeAjuda

Nano-LEDs: nanofios deitados geram luz

os nanofios geraram estruturas secundárias, parecidas com uma espinha de peixe, na qual a porção de óxido de zinco é rica em elétrons, enquanto a porção de nitreto de gálio tem falta de elétrons.

Ao tentar melhorar o processo de fabricação de nanofios, químicos norte-americanos esbarraram em um achado surpreendente, que cria uma nova categoria de LEDs.
O simples fato de fabricar os nanofios horizontalmente permite que eles produzam luz similar à dos LEDs atuais.



Nanofios de zinco
A descoberta desses "nano-LEDs", feita por acaso por pesquisadores do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST), representa uma nova ferramenta para o desenvolvimento dos biochips, dispositivos microfluídicos e nanogeradores.
Os nanofios de zinco estão na base da construção de nanogeradores, roupas que geram energia e até da recentíssima piezoeletrônica, tudo graças à sua capacidade de gerar energia quando tensionados - o efeito piezoelétrico.
Eles são "cultivados" depositando-se controladamente as moléculas de óxido de zinco, por um processo chamado deposição de vapor químico, em que essas moléculas, inicialmente na forma de um gás, depositam-se sobre um substrato.
Essa deposição faz com que os nanofios cresçam verticalmente, como as cerdas de uma escova, formando uma floresta de nanofios. Como eles tocam o substrato apenas em um ponto, normalmente eles não compartilham qualquer característica com esse substrato.



Nanofios deitados
Babak Nikoobakht e Andrew Herzing desenvolveram uma nova técnica "dirigida pela superfície", que permite que os nanofios cresçam horizontalmente ao longo de um substrato, usando ouro como catalisador.
O ouro depositado sobre o substrato é aquecido a 900 graus Celsius, o que converte o material em nanopartículas que servem tanto como local de crescimento para os nanofios quanto como um meio para a cristalização das moléculas de óxido de zinco.
Conforme os nanocristais de óxido de zinco começam a crescer, rumo à formação de um nanofio, eles empurram a nanopartícula de ouro ao longo da superfície do substrato, criando um nanofio deitado sobre o substrato.
Como o nanofio está em contato total com o substrato - neste caso o nitreto de gálio -, ele é fortemente influenciado pelas propriedades do material de sustentação.



Nano-LEDs
Ao aumentar o tamanho das nanopartículas de ouro de 8 para 20 nanômetros, os nanofios geraram estruturas secundárias, parecidas com uma espinha de peixe, na qual a porção de óxido de zinco é rica em elétrons, enquanto a porção de nitreto de gálio tem falta de elétrons.
Quando a estrutura é carregada com eletricidade, a interface entre os dois materiais - conhecida como heterojunção p-n - permite que os elétrons fluam de um lado para outro.
O movimento dos elétrons produz luz, o que levou os cientistas a batizarem a estrutura de nano-LED.
Nikoobakht e Herzing agora querem melhorar a eficiência dos nano-LEDs, usando geometrias mais precisas e outros materiais que possam se mostrar mais eficazes.
O principal objetivo é criar fontes de luz pequenas o suficiente para serem inseridas no interior de biochips, onde a luz é essencial para a análise de compostos químicos.

Folhas luminosas de fibras ópticas superam deficiência dos LEDs

No primeiro plano, a folha de fibras ópticas, composta por minúsculas estruturas feitas com fios de níquel. Ao fundo, à esquerda, a folha "acesa".

Pontos de luz
Os LEDs têm inúmeras vantagens: eles são miniaturizáveis, consomem pouca energia, são inteiramente de estado sólido e emitem luz nos mais diversos comprimentos de onda, incluindo as cores visíveis, o infravermelho e muito mais.
Sua única desvantagem parece ser a mais óbvia: eles são pontos de luz. Para fazer telas e monitores mais brilhantes e com resolução cada vez maior, o que menos se pode querer são interrupções na luz emitida.
E pontos de luz discretos sempre deixam rastros gerados pelos intervalos entre os diversos pontos, levando a uma queda na eficiência e na qualidade dos produtos finais.



Película de fibra óptica
Assim, como distribuir a luz gerada pelos LEDs ao longo de uma superfície bidimensional, grande o suficiente para atender à fome por polegadas adicionais das TVs mais modernas, e sem perdas?
A solução pode estar em uma película de fibra óptica, capaz de distribuir a luz bidimensionalmente de forma perfeita para todos os efeitos práticos.
Os primeiros protótipos, com resultados promissores, estão sendo fabricados e testados por engenheiros do Instituto Fraunhofer, na Alemanha.
A película, ou filme, possui estruturas superficiais com dimensões na faixa dos micrômetros, e os engenheiros já conseguiram fabricá-las com até dois metros de comprimento por um metro de largura.
"É um processo ultrapreciso," conta o Dr. Christian Wenzel, coordenador da equipe que está desenvolvendo o equipamento necessário para fabricar os filmes emissores de luz.



Iluminação plana
Partindo de um substrato flexível, ferramentas especiais de diamante são utilizadas para aplicar as minúsculas estruturas micrométricas e criar uma estampa que brilha por igual em toda a superfície.
O processo funciona de forma parecida com uma impressora matricial, que gera as letras pressionando pequenas agulhas sobre uma fita, passando a tinta da fita para o papel. As minúsculas agulhas, neste caso, aplicam as estruturas de fios de níquel, tão finas quanto um fio de teia de aranha, sobre o substrato.
O equipamento já é capaz de produzir folhas luminosas para backlighting de grandes telas e monitores, bem como para diversas outras aplicações, como a iluminação de interiores de residências ou de automóveis.
O próximo passo da pesquisa é aprimorar as máquinas necessárias para a fabricação das folhas luminosas. Hoje, uma folha de 2 x 1 metro leva alguns dias para ficar pronta.

Diodo emissor de luz

LEDs coloridos comuns

O diodo emissor de luz, também conhecido pela sigla em inglês LED (Light Emitting Diode). Sua funcionalidade básica é 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 semáforos.

Características

O LED é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando energizado emite luz visível por isso LED (Diodo Emissor de Luz). A luz não é monocromática (como em um laser), mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita e é produzida pelas interacções energéticas do electrão. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte eléctrica 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 por esse elétrons, que até então era livre, seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz .
No silício e no germânio, que são os elementos básicos dos diodos e transistores, entre outros componentes electrónicos, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida (devido a 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), o número de fotões de luz emitido 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 átomos com um elétron a menos na banda de valência em relação ao material semicondutor. Na ligação, os íons desse material dopante (íons "aceitadores") removem elétrons de valência do semicondutor, deixando "lacunas" (ou buracos), portanto, o semicondutor torna-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.
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 (elétrons 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, elétrons e lacunas se recombinam, criando uma fina camada praticamente isenta de portadores de carga, a chamada barreira de potencial, onde temos 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). Aqui é preciso ressaltar um fato físico do semicondutor: nesses materiais, os elétrons só podem assumir determinados níveis de energia (níveis discretos), sendo as bandas de valência e de condução as de maiores níveis energéticos para os elétrons 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

A luz emitida não é monocromática, mas a banda colorida é relativamente estreita. A cor, portanto, dependente do cristal e da impureza de dopagem com que o componente é fabricado. O led que utiliza o arsenieto de gálio emite radiações infra-vermelhas. 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 ultra-violeta. 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 3,3V, 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 ultra-violeta 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.

Semáforo de LED com contador regressivo, na cidade de Poá, São Paulo, Brasil.

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 (anodo) e K (catodo) 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 catodo (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 catodo é mais baixo do que o anodo.
Os diodos emissores de luz são empregados também na construção dos displays 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 anodo comum) ou dos seus catodos (leds bi-colores em catodo 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 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 = 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 5V de tensão nesse sentido. Por isso, quando alimentado por tensão 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.