NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP LED. Linee guida per studenti

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1 LED Linee guida per studenti Leggere prima dell esperimento In elettronica, i LED (light emitting diodes, diodi che emettono luce) sono dispositivi semiconduttori che emettono luce infrarossa o luce visibile quando attraversati da corrente elettronica. I LED che emettono nel visibile sono usati in molti dispositivi elettronici, ad esempio negli orologi digitali, nelle spie delle automobili, nei display dei cartelloni (Figure 1-2). I LED che emettono nell infrarosso sono usati nei controlli in remoto delle televisioni, nei dispositivi di fuoco automatico delle macchine fotografiche, nelle sorgenti di luce delle fibre ottiche dei sistemi di telecomunicazione (1). Immagine 1. Cifre su una sveglia elettronica (1) una gara di canto (2) Immagine 2. Scenografia televisiva in Qual è la fisica dei LED? La lampadina classica emette luce per incandescenza, cioè perché il riscaldamento di un filamento attraversato da corrente elettrica provoca l emissione di fotoni, pacchetti di luce, di bassa energia. I LED, invece, emettono luce per elettroluminescenza : emissione di fotoni provocata dall eccitazione degli elettroni nella materia. Un diodo è un dispositivo che emette luce, formato da una struttura a due terminali (bipolo). Nella lampadina classica il filamento è connesso a una batteria mediante due terminali, uno di carica negativa (l anodo) e l altro di carica positiva (il catodo). Nei LED, i terminali sono due materiali semiconduttori di composizione differente. I semiconduttori sono materiali che hanno una conduttività elettronica compresa tra quella dei metalli, come il rame, e quella degli isolanti, come il vetro. 1

2 Il materiale più usato nei LED è l arseniuro di gallio, ma esistono altre varanti a questo materiale. Questi componenti sono semiconduttori, costituiti da elementi delle colonne III e V della tavola periodica. Variando la composizione dei semiconduttori varia la lunghezza d onda (λ), quindi il colore della luce emessa. I LED generalmente emettono in una sezione dello spettro visibile ( μm) o nel vicino infrarosso ( μm). La luminosità della luce dipende dalla potenza emessa dal LED. Il voltaggio applicato nella maggioranza dei LED è abbastanza basso, nella regione dei ; la corrente dipende dalle applicazioni e varia in un intervallo di pochi μa (micro Ampere) a diverse centinaia di μa. La struttura di un LED Nella struttura tipica di un LED (Figura 1), la cupola trasparente funge da elemento strutturale per tenere insieme il telaio di connettori; il suo indice di rifrazione consente alla luce di sfuggire dal chip del LED. Il chip, tipicamente delle dimensioni di micron, è montato in una cavità riflettente ricavata nel telaio di connettori. Per le emissioni nel verde, sono utilizzati strati di GaP:N*; per le emissioni nell arancio e nel giallo, strati di GaAsP:N**; per le emissioni nel rosso, strati di GaP:Zn,O***; per le emissioni nel blu, strati di GaN****. I LED possono essere realizzati utilizzando gruppi di LED per dare tutti i colori, compreso il bianco. Figura 1. Schema di un LED (3) * azoto aggiunto al fosfuro di gallio; ** azoto aggiunto al fosfuro arseniuro di gallio; *** zinco e l'ossigeno aggiunto al fosfuro di gallio **** nitruro di gallio. Perché i LED durano così a lungo? Un LED non brucia quasi mai! I LED non hanno filamenti, non manifestano fenomeni di fatica caratteristici dei metalli, non hanno elementi elettrici che ossidano o evaporano come le lampadine. Sia le lampadine classiche, sia quelle a fluorescenza, sono molto fragili e vanno maneggiate con la stessa delicatezza con cui si maneggiano le uova. I LED invece sono robusti, molto solidi, costituti da dispositivi di stato solido e non di fragile vetro. D altra parte i LED funzionano per elettroluminescenza, una modalità completamente diversa da quella delle lampadine. 2

3 Anche se i LED non bruciano, la loro luminosità diminuisce lentamente lungo la loro vita. I LED possono durare per mille anni, ma funzionano a luminosità del 70% una volta raggiunta il termine che indica la loro vita attesa. Tipo di lampadina Aspettativa di vita in Aspettativa di vita in Risultato a fine vita ore anni LED % della luminosità originaria Fluorescenza Si spegne Classica Si spegne Spettro elettromagnetico Figura 2. Confronto tra le caratteristiche di alcuni tipi di lampadine (4) Lo spettro elettromagnetico (EM) è costituito dall intervallo di tutti i tipi di radiazione EM (Figure 3 e 4). Questa radiazione è l energia che viaggia e si diffonde nello spazio: la luce visibile che proviene da una lampadina nella tua casa e le onde radio che provengono da una stazione radio sono due esempi di radiazione EM. Altri tipi di radiazione EM che costituiscono lo spettro elettromagnetico sono le microonde, la luce infrarossa, la luce ultravioletta, i raggi X e i raggi gamma. In realtà conosci lo spettro elettromagnetico molto più di quanto non immagini. L immagine a destra mostra ogni porzione di spettro EM nella tua vita quotidiana. Le onde elettromagnetiche sono descritte dalle seguenti proprietà fisiche: frequenza f, lunghezza d onda λ, o energia E. La lunghezza d onda è inversamente proporzionale alla frequenza dell onda, quindi i raggi gamma hanno una lunghezza d onda molto piccola, frazioni di dimensioni degli atomi, mentre onde del lato opposto dello spettro possono avere lunghezze d onda lunghe quanto l universo. L energia del fotone è proporzionale alla lunghezza d onda, quindi i raggi gamma hanno alte energie mentre le onde radio hanno energia molto bassa. Queste relazioni possono essere riassunte dalle seguenti formule: Figure 3: Electromagnetic spectrum. (5) 3

4 dove: c ~ m/s è la velocità della luce nel vuoto h ~ J s è la costante di Planck Figura 4: Ingrandimento della parte visibile nello spettro EM (6) Una dimostrazione dello spettro elettromagnetico: l arcobaleno L arcobaleno è un evento ottico e meteorologico causato dalla riflessione della luce nelle gocce d acqua nell atmosfera terrestre che dà origine a uno spettro di luce nel cielo. Il colore rosso appare nella parte esterna dell arcobaleno, mentre il violetto nella parte interna. L arcobaleno si forma quando la luce viene rifratta mentre entra in una goccia d acqua, poi viene riflessa all interno della goccia, e rifratta nuovamente quando lascia la goccia ed esce. Nel 1672, Newton divise lo spettro in 5 colori principali: rosso, giallo, verde, blu e violetto. In seguito incluse l arancio e l indaco, individuando così 7 colori principali nello spettro, tanti quante sono le note in una scala musicale. Immagine 3. Un arcobaleno (7) 4

5 Rosso Arancio Giallo Verde Blu Indaco Violetto 650 nm 590 nm 570 nm 510 nm 475 nm 445 nm 400 nm Dispersione della luce Figura 5: Le lunghezze d onda dei colori di un arcobaleno (8) La luce cambia velocità quando si sposta da un mezzo a un altro (per esempio dall aria in un vetro di un prisma). Il cambiamento della velocità causa la rifrazione della luce che entra nel nuovo mezzo con un angolo differente (principio di Huygens). Il grado di flessione del cammino della luce dipende dall angolo d incidenza che il fascio incidente forma con la superficie, e dal rapporto dell indice di rifrazione dei due mezzi (legge di Snell). L indice di rifrazione varia con la lunghezza d onda del colore della luce, fenomeno conosciuto come dispersione. Questo significa che la luce di colore differente viene rifratta in modo differente e abbandona il prisma ad angoli differenti, creando un effetto simile a quello dell arcobaleno. La deviazione dell angolo della luce dipende dall indice di rifrazione n, e varia con la lunghezza d onda (10). Attività 1 Costruire un sistema d illuminazione Figura 6: Dispersione della luce in un prisma (9) Guardare Video 1 per comprendere la preparazione di un sistema di LED. Discutere la struttura dei diversi colori dei LED con i tuoi amici. Materiali per Attività 2-3-4: Batteria 9 V Voltmetro Una serie di LED (colori dell arcobaleno) Voltmetro 5

6 Un prisma trasparente. Attività 2 Energia dei LED Collegare la batteria da 9 V al sistema a LED. Poi, togliere la connessione e osservare ciò che accade. Quali colori sbiadiscono prima, quali alla fine? Riesci a spiegare la relazione tra ciò che vedi e i concetti di lunghezza d'onda ed energia? Attività 3 Generare colori con la tensione Collegare la batteria da 9 V al sistema a LED. Usa il voltmetro per trovare la tensione di LED colorati. Collegare un gancio del voltometro all inizio del sistema d illuminazione, l altro in corrispondenza del colore che si vuole misurare. Elenca i risultati dal più grande al più piccolo. Riesci a vedere l ordine dell arcobaleno? Prova a elencare le lunghezze d onda dei colori utilizzando le equazioni che legano energia, frequenza, e lunghezza d'onda. Attività 4 Osservare la diffrazione dei colori La luce bianca contiene tutti i colori visibili. Invia della luce bianca su un prisma trasparente e osserva ciò che accade. Quali colori si allontanano di più e quali di meno? Prova a correlare la differenza di riflessioni con le lunghezze d onda dei colori. VALUTAZIONE Completa gli spazi bianchi con le espressioni adatte (10 minuti) 1. I LED emettono luce per... degli elettroni dei materiali semiconduttori. 2. Per avere la luce gialla dal blu, dobbiamo diminuire la I raggi X sono dannosi per il corpo umano perché la loro frequenza ed... sono alte. 4. L aspettativa di vita di una lampadina classica è di circa... ore, quella di un LED di circa...ore. REFERENZE (1) (2) resizes/a8/ff/78/fa/01/4a/31/cb/2a/0f/17/dc/8d/3d/62/eb/ad4_5801.jpg (3) (4) (5) (6) gnetic -spectrum.png 6

7 (8) (7) (9) (10) oemledtail-lights-e39-m5-hel4.jpg "Rear Lights-LED" Blue Red 7