D.B.S. PROGETTI TECNOLOGIA LED E LAMPADE A LED

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1 TECNOLOGIA LED E LAMPADE A LED I testi seguenti sono di proprietà dei rispettivi autori che ringraziamo per l'opportunità che ci danno di far conoscere gratuitamente a studenti, docenti e agli utenti del web i loro testi per sole finalità illustrative didattiche e scientifiche. LA TECNOLOGIA LED Un diodo ad emissione luminosa è composto da diversi strati di materiale semiconduttore. Quando il LED è polarizzato direttamente, uno strato particolarmente sottile, chiamato strato attivo, genera luce. Diversamente da quanto avviene nelle lampade ad incandescenza che irradiano uno spettro continuo, un LED emette luce praticamente monocromatica di un particolare colore. Il colore della luce dipende dal materiale utilizzato. I due sistemi di materiale AlInGaP e InGaN sono utilizzati per creare LED con elevata luminosità in tutti i colori, dal blu al rosso fino al bianco (conversione di luminescenza). L'efficienza dei LED è notevolmente migliorata negli ultimi anni e ha già raggiunto livelli di oltre 30 Im/W a seconda del colore. Questo è il risultato di una produzione di alta qualità e dell'impiego di tecnologie sofisticate. La luce bianca viene generata partendo dall'emissione di un diodo a luce blu. Tale emissione viene sfruttata per stimolare una specifica polvere fluorescente ed ottenere in risposta un'emissione secondaria gialla. In presenza della giusta concentrazione di materiale fluorescente, la luce primaria blu si combina con quella secondaria gialla in modo da creare una distribuzione spettrale percepita come colore bianco dall'occhio umano. L'indice di resa cromatica attenuto è di circa 80. Package La dimensione tipica di un LED è di poche centinaia di micron. Il semiconduttore è montato in un package nel quale è realizzato il collegamento elettrico. Il package provvede anche a proteggere il chip dall'ambiente circostante. Fondamentalmente esistono due tipi di package: THT (Through-Hole Technology) SMT (Surface-Mount Technology) Dati elettrici La massima luminosità si ottiene con l'alimentazione in corrente continua. La necessaria tensione diretta dipende dal colore della luce del LED e va da 2 a 4 V con una corrente diretta che può arrivare fino a 70 ma. Comportamento in funzione della temperatura L'emissione luminosa si riduce con l'aumentare della temperatura. La dipendenza dalla temperatura è più significativa nei LED a luce gialla che in quelli a luce verde. Questa riduzione di potenza luminosa è reversibile e non ha influenza sul decadimento del flusso nel corso della vita. La massima temperatura di funzionamento per i LED è normalmente dì 100 C e non deve essere superata. Durata e decadimento del flusso: Come avviene nelle sorgenti luminose convenzionali, nei LED si verifica nel tempo un graduale decadimento del flusso luminoso. Quando un LED emette il 50% del flusso luminoso iniziale si dice che, per definizione, ha raggiunto la fine della sua vita utile. Nelle normali condizioni operative un LED può durare fino a ore a seconda del colore. Glossario Tensione diretta: tipicamente da 2 a 4 V Corrente diretta: tipicamente da 10 a 70 ma Gamma cromatica: da 460 a 650 nm (lunghezza d'onda dominante) Angolo di emissione; da 15" a 120" Temperatura di funzionamento: da -40 a +100 C

2 Tecnologie LED da qui al futuro di Angela Rossoni Le recenti olimpiadi di Pechino sono state anche usate come trampolino di lancio per tecnologie innovative ed amiche dell ambiente, come quella LED. Forse non ce ne rendiamo conto, ma i LED, che un giorno ci faranno risparmiare molto sulla bolletta dell energia elettrica, oltre ad evitare tonnellate di emissioni di anidride carbonica dalle centrali elettriche, ce ne abbiamo già molti sotto il nostro naso. I LED sono presenti in numerosi oggetti high-tech che usiamo tutti i giorni: sono impiegati, ad esempio, per l illuminazione dei telefoni cellulari per le luci di indicazione (il cui colore cambia in relazione ad un evento, come l arrivo di un SMS o di una chiamata in arrivo), le luci decorative, per la retro-illuminazione del tastierino numerico, e persino per la retro-illuminazione del display. Stanno sostituendo le lampade a fluorescenza nella retroilluminazione degli schermi LCD dei PC portatili e nei grandi display che visualizzano informazioni e messaggi pubblicitari per le strade delle città, e le tradizionali lampadine nelle luci dei semafori, nei fari e nelle luci dell abitacolo delle auto. Nonostante i prezzi elevati dei LED, questi stanno già sostituendo le tradizionali lampadine. Forse un giorno le renderanno un pezzo da museo, come la celebre lampadina che ancora oggi, dopo la bellezza di 107 anni (fu accesa per la prima volta nel 1901), non solo illumina la caserma dei vigili del fuoco di Livermore, in California, ma si è conquistata un primato nel famoso libro dei Guiness, un comitato sorto appositamente per celebrare la lampadina e un sito web dedicato (per la cronaca: gli americani l hanno soprannominata Centennial bulb. Circa 10 milioni di nuove lampade LED prendono il posto delle lampade ad incandescenza ogni anno. I ricercatori ritengono che le efficienze attuali delle tecnologie emergenti di illuminazione potrebbero essere replicate. Attualmente l efficienza di conversione della potenza elettrica in luce delle lampade a fluorescenza (CFL) è di circa il 15 %, contro il 5 % delle lampade ad incandescenza. Il resto dell energia elettrica è convertita in calore, e quindi è sprecata, comportando, specialmente in un Paese come il nostro, fortemente dipendente dalle fonti di energia fossili, maggiori emissioni di gas serra. Un sistema di illuminazione a LED può fornire livelli confrontabili di luminosità, a fronte di una riduzione dei consumi del 60 % rispetto a un analoga soluzione CFL. I ricercatori ritendono che le efficienze attuali delle tecnologie emergenti di illuminazione potrebbero essere triplicate quindi i margini di miglioramento sono davvero notevoli. L Unione Europea ha avviato, nel corso del 2007, uno studio che potrebbe portare alla messa al bando dei bulbi ad incandescenza entro il Le tradizionali lampadine saranno sostituite dalle lampade a fluorescenza (CFL, compact fluorescent light) o dai LED. L iniziativa rientra nell ambito della cosiddetta direttiva Ecodesign, che ha il fine di migliorare l efficienza energetica nell illuminazione di strade ed edificie negli altri apparecchi che consumano energia, in particolare nei computer e nelle lavatrici. Il risparmio potenziale in emissioni di CO2 conseguente al provvedimento sarebbe di 180 milioni di tonnellate all anno, l equivalente di un quarto dell obiettivo di riduzione del 20 % delle emissioni fissato entro il Di questi, 15 milioni di tonnellate di CO2 potrebbero essere evitate semplicemente sostituendo le tradizionali lampadine all interno delle abitazioni. E il prezzo tuttavia il nodo da sciogliere, affinchè i LED entrino nelle nostre case al posto delle vecchie lampadine. I consumatori non si curano certo della tecnologia usata per l illuminazione. La loro preoccupazione principale è il costo, e il loro impatto ambientale, a causa della sensibilità crescente attorno a queste tematiche. Le lampade CFL contengono mercurio, una sostanza tossica ed inquinante. Se una lampadina CFL per caso cade a terra e si rompe, il mercurio potrebbe fuoriuscire, come avviene quando rompiamo un vecchio termometro al mercurio. Il problema è quanto i consumatori siano disposti a pagare per una soluzione di illuminazione più ecologica, come quella in tecnologia LED. I LED sono però 60 volte più costosi delle comuni lampadine e saranno più costosi delle lampadine almeno per i prossimi 10 anni... Su questo potrebbero venire in soccorso i LED organici, che costituiscono potenzialmente una tecnologia molto economica. Olla, un consorzio Europeo di ricercatori provenienti da 24 Università e da grossi gruppi industriali come Osram e Philips Lumileds, è impegnato nello sviluppo di soluzioni OLED ad alta luminosità per applicazioni nell ICT e

3 nell illuminazione allo stato solido. Gli OLED promettono di raggiungere un efficienza di conversione di oltre il 50 %, ben superiore rispetto a quella delle lampade a fluorescenza. Il consorzio Olla ha dato dimostrazione di OLED che emettono luce bianca, che offrono un efficienza di 25 lumen/watt e un tempo di vita di 5000 ore. Questo risultato rappresenta già il doppio dell efficienza rispetto alle lampadine al tungsteno ed una durata 5 volte superiore, anche se è ancora lontano dalle prestazioni offerte dai LED inorganici e dalle lampade a fluorescenza. D altro canto però, gli OLED potrebbero raggiungere efficienze ben superiori rispetto al limite teorico di efficienza in lumen per Watt delle CFL. Ci saranno prospettive migliori se i governi definiranno delle normative rigorose in questa direzione. Lo scorso Dicembre, il Congresso degli Stati Uniti ha emanato un provvedimento che metterà al bando le lampade ad incandescenza a partire dal 2012, rendendo le lampade CFL e i LED le uniche opzioni possibili per l illuminazione domestica e degli edifici commerciali e industriali. Hanno già iniziato in California. Dal 2011 non saranno più consentite le lampadine a incandescenza, ma solo quelle ad alto risparmio o a LED. Anche il Portogallo e l Australia prevedono disposizioni simili entro il fonte: link : Autore del testo: non indicato nel documento di origine LED Vengono indicati col termine LED (acronimo per Light Emitter Diode) dispositivi composti da un diodo emettitore di luce spontanea quindi anche se molto intensa è incoerente sia dal punto di vista spaziale che spettrale. Le applicazioni sono molteplici: Visive: display, soprattutto in quelli a sette segmenti Telecomunicazioni: pilotaggio delle fibre di breve distanza (rete di accesso) a basso costo Il LED vengono classificati in base al TIPO DI EMISSIONE: SLED (acronimo per Surface LED): emettono attraverso un buco posto sulla superficie. Sono quelli incapsulati nel cappuccetto di plastica, che funziona da lente focalizzatrice (in quanto grazie alla superficie arrotondata e un indice di rifrazione maggiore di quello del vuoto, la luce viene collimata). Di questo fatto ce ne rendiamo facilmente conto in quanto guardando un led lateralmente la luce da esso prodotta non si vede. ELED (acronimo per Edge LED): emettono dalla superficie laterale

4 STRUTTURA DEL DISPOSITIVO LED In generale i led, e solo i led, vengono montati capovolti. Vediamo perché: La struttura normale di un dispositivo, detta P-SIDE-UP è: Il problema è che nel led ci può passare anche una corrente elevata e quindi dissipare molto calore, dobbiamo allora fare in modo di diminuire il più possibile la resistenza termica tra il centro dell area attiva e il pozzo termico, la metal inferiore (freccia marcata). Allora date le grosse dimensioni del substrato è conveniente capovolgere la struttura, vedi figura 1, realizzando il cosiddetto P-SIDE-DOWN, in modo tale che la distanza tra l area attiva e la metal inferiore sia ridotta. SLED Surface LED (LED Superficiali) La metallizzazione superiore deve avere una forma ad anello in modo da essere in grado di far uscire il fascio di luce, che altrimenti verrebbe opacizzato. La corrente si distribuisce in modo tale da essere massima proprio nella zona al di sopra dell area attiva

5 OSCILLAZIONE LASER Nonostante le superfici laterali del dispositivo siano riflettenti ( in quanto non sono certo state passivate) non si può instaurare una oscillazione laser nelle quattro direzioni a croce dato che la zona a forte guadagno è limitata soltanto all area attraversata dalla forte intensità di corrente, che favorisce l inversione di popolazione. Tale intensità di corrente viene consumata tutta dall emissione spontanea. L emissione di tipo spontaneo avviene in tutte le direzioni dell angolo solido, ma si mantiene solo nella zona di guadagno; al di fuori le zone non sono pompate e non fanno altro che assorbire i fotoni, ovvero le perdite sono ben superiori al guadagno, e quindi non si potrà mai instaurare l oscilllazione laser. FINESTRE La struttura in figura 1 non può lavorare in prima finestra. Ricordando il diagramma del Gap in funzione della costante reticolare abbiamo detto che in prima finestra veniva utilizzato l Arseniuro di Gallio come area attiva, e l Arseniuro di Gallio Alluminio, ad ampio Gap e quindi trasparente alla luce, come cladding; ma il tutto doveva poggiare su un substarto di GaAs. In una struttura a P-side-down di questo tipo dunque la luce spontanea che viene emessa dall Arseniuro di Gallio è naturalmente assorbita dall GaAs che non è pompato, e quindi il substrato non risulterebbe essere trasparente alla luce. Fig. 2 Per lavorare in prima finestra dunque è necessario realizzare una struttura del tipo in figura 2, che vediamo essere identica alla precedente ma nella quale è stato praticato uno scasso, per erodere il substrato di Arsenuiro di Gallio ed andare a raggiungere il buffer o il cladding. Questo può essere utile perché il buco al centro è un ottimo alloggiamento per l innesco della fibra. L innesco può addirittura essere autocentrante se riusciamo a fare bene la tecnologia. La struttura in figura 1 invece può lavorare benissimo in seconda e terza finestra dato che abbiamo visto che in tali finestre si faceva il cladding e il substrato di Fosfuro di Indio, e l area attiva di quaternario InAsGaP. Quindi il substrato, essendo a gap più ampio dell area attiva è trasparente alla luce che da esso proviene.

6 Fig. 3 Non è quindi necessario lo scavo per i diodi che lavorano in seconda e terza finestra. Anzi, in figura 3 vediamo la stessa struttura della 1 in cui è stato sfruttato il substrato di Fosfuro di Indio per integrare una lente focalizzatrice per la luce spontanea emessa. ELED Edge Led (LED Laterali) Volendo realizzare una struttura di tipo laterale e in modo tale che emetta quanta più luce spontanea possibile è necessario eliminare la reazione che comporterebbe l innescarsi dell oscillazione laser. Queste considerazioni valgono anche per costruire un amplificatore ottico a semiconduttore, nel quale come ben sappiamo, è necessario eliminare la reazione. strati anti-riflettenti trasparenti ma che impediscano la riflessione 1 SOLUZIONE

7 Tali strati antiriflettenti potrebbero essere costituiti da Nitruri di Silicio o vetri deposti da fase vapore, ma una soluzione di questo tipo però implicherebbe un procedimento tecnologico da fare sul dispositivo già tagliato, che è dell ordine di 300 mm x 200 mm di area laterale, con una notevole difficoltà di gestione. Aver realizzato la metallizzazione in modo obliquo, come in figura 7 invece che perpendicolarmente alla superficie che è riflettente, come in figura 6 impedisce l instaurarsi dell oscillazione laser. Infatti le superfici in questo caso disperdono l intensità luminosa in una zona non pompata (frecce sottili). Questa soluzione nonostante l efficienza è poco utilizzabile a causa della difficoltà di allineamento della fibra; l emissione avviene in modo completamente disassato rispetto all asse del dispositivo, ma di fatto viene utilizzata qualche volta per realizzare amplificatori ottici. 4 SOLUZIONE Nel LED superluminescente l idea adottata per eliminare la reazione Fig. 8 scaturisce proprio dal fatto che le aree non pompate assorbono l intensità luminosa. Basta quindi interrompere la metallizzazione affinché l area pompata sia limitata e quindi solo questa sia in grado di emettere. Fonte: link : Autore del testo: non indicato nel documento di origine Tecnologia led e lampade a led TECNOLOGIA LED Tratto da WIKIPEDIA LED è un acronimo per Light-Emitting Diode (diodo ad emissione di luce). Il primo LED è stato sviluppato da Nick Holonyak Jr. (nato nel 1928) nel Funzione fisica Il dispositivo sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre fotoni a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna. Gli elettroni e le lacune vengono iniettati in una zona di ricombinazione

8 attraverso due regioni del diodo drogate con impurità di tipo diverso, e cioè di tipo n per gli elettroni e p per le lacune. Il colore della radiazione emessa è definito dalla distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e lacune e corrisponde tipicamente al valore della banda proibita del semiconduttore in questione. I LED sono uno speciale tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un sottile strato di materiale semiconduttore drogato. Quando sono sottoposti ad una tensione diretta per ridurre la barriera di potenziale della giunzione, gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sufficiente da produrre fotoni. A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce. I LED sono formati da GaAs (arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio), SiC (carburo di silicio) e GaInN (nitruro di gallio e indio). L'esatta scelta dei semiconduttori determina la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficenza nella conversione elettroottica e quindi l'intensità luminosa in uscita. Assorbimento Per quanto riguarda gli assorbimenti, questi sono maggiori nei LED normali rispetto a quelli ad alta luminosità, secondo la seguente tabella: Tipologia LED Assorbimento (ma) LED normali LED flash Forza Commerciale La forza commerciale di questi dispositivi si basa sulla loro potenzialità di ottenere elevata luminosità (quattro volte maggiore di quella delle lampade flourescenti e filamento di tugsteno), basso prezzo, elevata efficienza ed affidabilità(la durata di un LED è di molti ordini di grandezza superiore a quella delle classiche sorgenti luminose, specie in condizioni di stress meccanici); inoltre essi non richiedono circuti di alimentazione complessi, possiedono alta velocità di commutazione e la loro tecnologia di costruzione è compatibile con quella dei circuti integrati al silicio. Efficienza ed Affidabilità I LED sono particolarmente interessanti per le loro caratteristiche di elevata efficienza luminosa A.U./A e di affidabiltà. I primi LED ad alta efficienza sono stati investigati dall'ingegnere Alberto Barbieri presso i laboratori delluniversità di Cardiff (GB) nel 1995, rilevando ottime caratteristiche per dispositivi in AlGaInP/GaAs con contatto trasparente di Indio e Stagno (ITO). L'evoluzione dei materiali è stata quindi la chiave per ottenere delle sorgenti luminose del futuro che hanno tutte le caratteristiche per sostituire quasi tutte quelle ad oggi utilizzate. Caratteristiche tecniche In molti casi i LED sono alimentati in continua con una resistenza in serie Rs per limitare la corrente diretta al valore di lavoro, il quale può variare da 5-6 ma fino a 20 ma quando molta luce è richiesta. Il valore della resistenza in serie Rs è calcolato mediante la legge di Ohm conoscendo la corrente di lavoro richiesta If, la tensione di alimentazione Vs e la differenza di potenziale del LED alla corrente di lavoro data, Vf. La differenza di potenziale del LED Vf può essere stimata da quella data per una corrente di 20 ma nel datasheet del prodotto. I LED devono essere fatti operare solo con tensione diretta e non devono essere sottoposti a tensioni inverse che potrebbero danneggiarli. In linea generale, quando non si possiede il datasheet specifico, si può considerare per i LED consueti di diametro 5 mm una tensione Vf pari a circa 2 V ed una corrente di lavoro If prudenziale di ma, fino a 20 ma. Valori superiori di corrente sono in genere sopportati, ma non assicurano un funzionamento duraturo. Se un LED viene alimentato in alternata deve essere protetto dalla tensione inversa mediante un semplice circuito. Il metodo più semplice è quello di usare un diodo collegato in parallelo al LED che limita tutte le tensioni inverse. Ciò protegge il LED, ma, durante il ciclo negativo della sinusoide, non viene emessa luce riducendone così l'efficenza. Un metodo alternativo più efficiente e che inoltre mantiene attiva l'uscita luminosa consiste nell'usare un ponte di quattro diodi per assicurare che una corrente diretta scorra sempre attraverso il LED. La massima quantità di luce che può essere emessa da un LED è limitata essenzialmente dalla massima corrente media sopportabile, che è determinata dalla massima potenza dissipabile dal chip. Quando sono richiesti valori d'uscita più alti normalmente si tende a non usare correnti continue, ma ad usare delle correnti pulsanti con duty cycle scelto in maniera

9 opportuna. Ciò permette alla corrente e, di conseguenza, alla luce di essere notevolmente incrementate, mentre la corrente media e la potenza dissipata rimangono nei limiti consentiti. Polarità e controllo di un LED Il terminale più lungo di un diodo o di un led è l'anodo (+) in contrapposizione quindi al catodo, terminale più breve, come si può vedere nelle immagini sottostanti, dove sono evidenziati anodo e catodo. Le polarità vengono inoltre contraddistinte sull'involucro tramite un taglio: se si guarda infatti il led dall'alto, si puo' notare come una piccola parte della circonferenza di base sia smussata. In corrispondenza del taglio troviamo un reoforo che è collegato al catodo del dispositivo. Generalmente cio' è visibile su led da 5mm o superiori. Nel caso dei led 3mm, si rende necessario l'uso di un tester in quanto tale taglio (se presente) non è quasi visibile. Se si utilizza un tester, dopo aver selezionato la scala di resistenza, se si pone il puntale positivo sull'anodo e il puntale negativo sul catodo, il tester segnerà un valore di resistenza (ordine dei kω), invertendo i puntali, invece, il tester non dovrà segnare alcuna continuità. Cio' indica che il diodo è funzionante e si sono anche determinate le polarità. Colori I LED convenzionali sono composti da vari materiali inorganici che producono i seguenti colori: AlGaAs - rosso ed infrarosso GaAlP verde GaAsP - rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo GaN - verde e blu GaP - rosso, giallo e verde ZnSe blu InGaN - blu-verde, blu InGaAlP - rosso-arancione, arancione, giallo e verde SiC come substrato blu Diamante (C) ultravioletto Silicio (Si) come substrato - blu (in sviluppo) Zaffiro (Al2O3) come substrato - blu Inoltre, la caduta di tensione dei LED è relazionata al colore della luce emessa, come riportato nella seguente tabella: Tipologia LED Caduta di tensione Vi (volt cc) Colore rosso 1,8 Colore verde 2,0 Colore giallo 1,9 Colore arancio 2,0 Flash blu/bianco 3,0 fonte: Tratto da WIKIPEDIA

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