Conhecimento

Os LEDs são um dos componentes mais utilizados na eletrônica, estando presentes em quase todos os equipamentos eletrônicos que usamos no dia a dia. Por serem bonitos, baratos e de fácil uso, é difícil encontrar eletrônicos que não possuam pelo menos um LED em sua montagem. Porém, apesar de serem bastante versáteis, pouca gente sabe como eles funcionam. E é por isso que trazemos esse artigo, explicando detalhadamente o funcionamento dos LEDs.

O LED como um diodo

Antes de mais nada, é preciso entender que os LEDs são diodos emissores de luz, ou seja, seu funcionamento é o mesmo que um diodo comum. Tanto os LEDs quanto os diodos comuns são junções P-N, e podem conduzir ou bloquear a corrente elétrica, dependendo da sua polarização. 

Entretanto, existem algumas diferenças entre a operação dos LEDs e dos diodos comuns. Começando pela polarização inversa, quando ambos bloqueiam corrente. A tensão máxima que os LEDs suportam costuma ser muito baixa, não excedendo 5V, na maioria das vezes. Por outro lado, em diodos comuns é normal esse valor chegar ou até exceder 1000V. A outra diferença está na tensão necessária para condução, quando o diodo está diretamente polarizado. Em diodos comuns, essa tensão costuma girar em torno de 0,7V, entretanto para os LEDs, esse valor geralmente esta entre 2V a 3,5V, dependendo da cor.

Essas diferenças aparecem pois os diodos comuns foram construídos com propósitos diferentes. Já que enquanto os diodos foram feitos para explorar a capacidade de condução e bloqueio, nos LEDs a propriedade de interesse é a eletroluminescência. Apesar dessas diferenças, é importante entender que o led continua sendo um diodo, e por isso, discutiremos um pouco sobre os diodos a seguir.

Como os diodos são construídos

Para entender bem o diodo, é preciso entender sua construção. Eles são formados por um material semicondutor puro conhecido como intrínseco, que recebe impurezas selecionadas. Essas impurezas tem o propósito de garantir ao semicondutor as propriedades físicas desejadas. A essas impurezas chamamos de material dopante, e ao semicondutor após a dopagem de extrínseco. Os semicondutores extrínsecos podem ser de dois tipos:

O primeiro tipo é formado quando o material dopante possui um elétron a mais que o semicondutor na sua camada de valência, assim quando o dopante e o semicondutor são ligados, um elétron fica disponível como elétron livre, servindo como um portador de carga. Esse tipo de semicondutor extrínseco é chamado de tipo N. 
 
O segundo tipo é o P, e ele se forma quando o material dopante apresenta um elétron de valência a menos que o semicondutor intrínseco. Nessa situação, na ligação entre o dopante e o semicondutor falta um elétron, assim surge uma lacuna (ou buraco, do inglês hole) como portador de carga.

Um diodo é a junção de um semicondutor P com um semicondutor N, e ele é formado quando se deposita dopantes do tipo N sobre um semicondutor extrínseco do tipo P (ou vice e versa), o que gera uma região com dopagem N e uma região com dopagem P juntas em um mesmo cristal semicondutor. Abaixo temos uma representação de uma junção P-N, nela temos lacunas no semicondutor P e elétrons livres no semicondutor N.

Como funciona a junção P-N

Quando a junção P-N é formada, temos na região da junção o deslocamento de elétrons do lado N para o lado P. Esse deslocamento deixa as proximidades da junção no lado P com carga negativa. Após esse deslocamento de elétrons, lado N da junção fica com carga positiva, como mostra a figura abaixo.

Dessa forma,  na região próxima da junção surge um campo elétrico que aponta de N para P, que constitui uma barreira de potencial elétrico. Essa região recebe o nome de região de depleção, e é essa região responsável tanto pelo bloqueio na polarização inversa, quanto pela tensão de polarização direta.

Quando submetemos ao diodo a uma tensão elétrica temos duas situações:
A primeira é quando temos o polo positivo da fonte ligada a região N e o negativo a região P. Nesse caso temos um campo externo de mesma direção ao campo da região de depleção. Nessa configuração, os portadores de carga do semicondutor são atraídos em direção a fonte e, consequentemente, a região de depleção aumenta, não permitindo que a corrente da fonte flua. Nesse caso, dizemos que o diodo esta inversamente polarizado.

A outra situação é quando o polo negativo esta ligado ao semicondutor N e o positivo ao semicondutor P. Assim os campos externo e da região de depleção estão em sentidos opostos, e se o campo elétrico é o suficientemente grande, portadores de carga conseguem vencer a barreira de potencial da camada de depleção. Quando isso ocorre, elétrons e lacunas se recombinam, o que por sua vez libera espaço para que a corrente elétrica da fonte flua livremente.

Como os LEDs emitem luz

Enquanto o diodo está em condução, os elétrons e as lacunas estarão se recombinando, entretanto, para que isso ocorra é necessário que os elétrons saltem da camada de condução para a banda de valência. Para realizar este salto os elétrons precisam perder parte de sua energia. É nesse momento que um LED se diferencia de um diodo convencional. Em um diodo comum a energia é liberada para o cristalino do semicondutor, na forma de calor, ou seja, sem emitir radiação eletromagnética. Porém, em um LED essa energia é liberada na forma de um fóton que é radiado para o ambiente.

A cor da luz emitida pelo LED depende da distância energética entre as bandas de condução e valência do material, isto é, depende da energia perdida pelo elétron. Essa distância varia de acordo com o material ao qual o semicondutor é formado. Alguns exemplos de materiais usados na fabricação de LEDs são o arseneto de gálio, que produzem LEDs infravermelhos e fosfeto de gálio, para LEDs vermelhos, amarelos e verdes.

Tipos de Leds

Atualmente existem diversos tipos de LEDs como os SMD’s, amplamente utilizados em placas de circuito impresso devido ao seu tamanho compacto. Eles podem ser de diversas cores, sendo um modelo bastante comum os RGB endereçáveis, com eles é possível formar uma diversa gama de cores com facilidade e rapidez.

Outro LED comumente encontrado é o infravermelho, usado na maior parte de controles remotos, além de sensores reflexivos como o TCRT5000. Esses LEDs não emitem luz na faixa visível, mas sim na faixa infravermelha, sendo assim usado para a transmissão de sinais em curtas distâncias e de forma direcionada.

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