LED: differenze tra le versioni
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Il materiale semiconduttore presenta due zone [[Drogaggio|drogate]] differentemente in modo da avere [[Portatore di carica|portatori di carica]] opposta, [[Elettrone|elettroni]] e [[Lacuna (fisica)|lacune]], i quali secondo i principi di funzionamento del [[diodo a giunzione]] si ricombinano emettendo energia sotto forma di fotoni. Il primo LED fu sviluppato nel [[1962]] da [[Nick Holonyak Jr.]]<ref>{{Cita web|lingua=en|url=http://web.mit.edu/invent/a-winners/a-holonyak.html|titolo=Winners' Circle: Nick Holonyak, Jr<!-- Titolo generato automaticamente -->|accesso=14 dicembre 2005|dataarchivio=20 gennaio 2013|urlarchivio=https://www.webcitation.org/6DnjsIly3?url=http://web.mit.edu/invent/a-winners/a-holonyak.html|urlmorto=sì}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://ece.illinois.edu/directory/profile/nholonya|titolo=Profilo personale di Nick Holonyak Jr.|editore=Università dell'Illinois|lingua=en}}</ref>. Nel 2014 è stato assegnato il [[premio Nobel per la fisica]] a [[Isamu Akasaki]] e [[Hiroshi Amano]] dell'[[Università di Nagoya]] e a [[Shūji Nakamura]] dell'[[Università della California, Santa Barbara]] per le ricerche sul LED a luce blu.
Negli [[anni 1990|anni novanta]], vennero realizzati LED con efficienza sempre più elevata e in una gamma di colori sempre maggiore,
== Storia ==
=== I primi dispositivi ===
[[File:SiC LED historic.jpg|thumb|Riproduzione dell'esperimento di Henry Joseph Round]]
Nel [[1907]], presso i laboratori della [[Marconi Company]], Henry Joseph Round scoprì l'effetto della [[fotoluminescenza]] usando del [[carburo di silicio]] (SiC) e il componente di una radio.<ref>{{Cita pubblicazione|autore=Henry Joseph Round|anno=1907|titolo=A note on carborundum|rivista=Electrical World|volume=19|p=309|url=https://books.google.com/books?id=TAZRAAAAYAAJ&pg=PA309#v=onepage&q&f=false|lingua=en}}
</ref><ref>{{Cita web|url=http://www.jmargolin.com/history/trans.htm|autore=J. Margolin|titolo=''The Road to the Transistor''|lingua=en}}</ref> Esattamente vent'anni dopo, [[Oleg Losev]] pubblicò in Russia una teoria, dove affermava di aver creato l'equivalente di un LED rudimentale;<ref name="Losev1927">{{Cita pubblicazione|autore=Oleg V. Losev|titolo=Luminous carborundum detector and detection effect and oscillations with crystals|rivista=Philosophical Magazine|data=novembre 1928|volume=5|numero=39|pp=
Nel [[1936]], ai laboratori di [[Marie Curie]], il fisico Georges Destriau ottenne elettroluminescenza (che lui stesso definì "luce Losev") incapsulando del [[solfuro di zinco]] (ZnS) in un contenitore al cui interno applicò un [[campo elettrico]] alternato.<ref name="ChemiePhysique">{{Cita pubblicazione|autore=George Destriau|anno=1936|titolo=Recherches sur les scintillations des sulfures de zinc aux rayons|rivista=Journal de Chimie Physique|volume=33|pp=
electroluminescence|editore=McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Physics|anno=2002|lingua=en}}</ref> Tre anni dopo, gli ungheresi [[Zoltán Bay]] e György Szigeti brevettarono un dispositivo in carburo di silicio in grado di emettere luce bianca o bianca tendente al giallo o verde, in base all'impurità presente.<ref>{{Cita web|url=https://www.iitk.ac.in/solarlighting/files/brief_history_of_LEDs.pdf|titolo=Brief history of LEDs|lingua=en|formato=pdf|accesso=4 agosto 2019|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20190402215724/https://www.iitk.ac.in/solarlighting/files/brief_history_of_LEDs.pdf|dataarchivio=2 aprile 2019|urlmorto=sì}}</ref> Nel [[1951]], Kurt Lehovec, Carl Accardo e Edward Jamgochian capirono per la prima volta il reale funzionamento di un diodo in grado di emettere luce, utilizzando cristalli di carburo di silicio e come fonte elettrica una batteria e un generatore di impulsi, confrontando nei due anni successivi i risultati ottenuti con altri ricavati variando il tipo di cristalli e la loro purezza.<ref>{{Cita pubblicazione|anno=1951|titolo=Injected Light Emission of Silicon Carbide Crystals|rivista=Physical Review|volume=83|numero=3|pp=
Nel [[1955]], Rubin Braunstein,<ref>{{Cita web|url=http://personnel.physics.ucla.edu/directory/faculty/braunstein/|titolo=Rubin Braunstein|editore=University of California, Los Angeles|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20110311150933/http://personnel.physics.ucla.edu/directory/faculty/braunstein|dataarchivio=11 marzo 2011|lingua=en|accesso=4 agosto 2019|urlmorto=sì}}</ref> della [[Radio Corporation of America]], ottenne emissione di luce [[Infrarossi|infrarossa]] da [[arseniuro di gallio]] (GaAs)<ref>{{Cita pubblicazione|autore=Rubin Braunstein|anno=1955|titolo=Radiative Transitions in Semiconductors|url=https://archive.org/details/sim_physical-review_1955-09-15_99_6/page/n226|rivista=Physical Review|volume=99|pp=
[[File:SNX100.jpg|thumb|left|Il primo LED emisferico, l'SNX-100<ref>{{Cita pubblicazione|autore=W. N. Carr|data=novembre 1963|titolo=One-watt GaAs p-n junction infrared source|rivista=Applied Physics Letters|volume=3|numero=10|lingua=en|doi=10.1063/1.1753837|bibcode=1963ApPhL...3..173C|autore2=G. E. Pittman|pp=
▲[[File:SNX100.jpg|thumb|left|Il primo LED emisferico, l'SNX-100<ref>{{Cita pubblicazione|autore=W. N. Carr|data=novembre 1963|titolo=One-watt GaAs p-n junction infrared source|rivista=Applied Physics Letters|volume=3|numero=10|lingua=en|doi=10.1063/1.1753837|bibcode=1963ApPhL...3..173C|autore2=G. E. Pittman|pp=173–175}}</ref>|alt=]]
Nel settembre [[1961]], alla [[Texas Instruments]], James R. Biard e Gary Pittman scoprirono che un diodo ad [[effetto tunnel]] con [[Substrato (elettronica)|substrato]] in arseniuro di gallio era in grado di emettere luce infrarossa con [[lunghezza d'onda]] di 900 nanometri.<ref name="FirstPracticalLED">{{Cita web|autore=Thomas M. Okon|autore2=James R. Biard|titolo=The First Practical LED|url=http://edisontechcenter.org/lighting/LED/TheFirstPracticalLED.pdf|editore=Edison Tech Center|anno=2015|accesso=2 febbraio 2016|lingua=en}}</ref> In ottobre, dimostrarono l'efficacia della comunicazione tra tale diodo e un [[fotorivelatore]] isolato elettricamente.<ref>{{Cita web|altri=a cura di W. T. Matzen|data=marzo 1963|url=https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/411614.pdf|titolo=Semiconductor Single-Crystal Circuit Development|editore=Texas Instruments Inc.|volume=Contract No. AF33(616)-6600, Rept. No ASD-TDR-63-281|lingua=en}}</ref> L'8 agosto [[1962]], Biard e Pittman fecero richiesta di un brevetto dal titolo "Diodo radiante a semiconduttore": un diodo con [[giunzione p-n]] e [[zinco]] [[Diffusione di materia|diffuso]], con il catodo distanziato per permettere un'emissione efficiente di luce infrarossa quando il dispositivo è nella cosiddetta [[Giunzione p-n#Polarizzazione diretta|polarizzazione diretta]]. Dopo aver ricevuto richieste anche da [[General Electric]], Radio Corporation of America, [[IBM]], [[Bell Laboratories]] e [[MIT Lincoln Laboratory]], l'[[United States Patent and Trademark Office|ufficio brevetti statunitense]] consegnò ai due inventori il brevetto per il diodo a emissione di luce infrarossa in arseniuro di gallio,<ref>{{Cita brevetto|inventore=James R. Biard e Gary Pittman|titolo=Semiconductor radiant diode|assegnatario=[[Texas Instruments]]|numeropubblicazione=US3293513|url=http://www.freepatentsonline.com/3293513.pdf|formato=pdf|accesso=2 agosto 2019|dataregistrazione=20 dicembre 1966|ufficio=[[United States Patent and Trademark Office|United States Patent Office]]|lingua=en}}</ref> il primo vero LED per uso pratico.<ref name=FirstPracticalLED /> Subito dopo, la Texas Instruments diede il via ad un progetto per la loro realizzazione e, nell'ottobre del [[1962]], la società annunciò la messa in produzione a scopo commerciale di LED con [[struttura cristallina]] di arseniuro di gallio in grado di emettere luce con lunghezza d'onda di 890 nanometri.<ref name=FirstPracticalLED />
Il primo LED ad emissione nello [[spettro visibile]] fu sviluppato alla General Electric da [[Nick Holonyak Jr.]] che pubblicò al riguardo un articolo il 1º dicembre [[1962]].<ref>{{Cita pubblicazione|url=http://apl.aip.org/resource/1/applab/v1/i4|titolo=Coherent (Visible) Light Emission from Ga(As<sub>1−x</sub> P<sub>x</sub>) Junctions|autore=Nick Holonyak Jr.|rivista=Applied Physics Letters|data=dicembre 1962|numero=4|doi=10.1063/1.1753706|autore2=S. F. Bevacqua|volume=1|p=82|bibcode=1962ApPhL...1...82H|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20121014035733/http://apl.aip.org/resource/1/applab/v1/i4 |dataarchivio=14 ottobre 2012|lingua=en}}</ref><ref name="chisuntimes">{{Cita news|titolo=U. of I.'s Holonyak out to take some of Edison's luster|autore=Howard Wolinsky|data=5 febbraio 2005|url=http://findarticles.com/p/articles/mi_qn4155/is_20050202/ai_n9504926|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20060328001535/http://findarticles.com/p/articles/mi_qn4155/is_20050202/ai_n9504926 |urlmorto=sì|dataarchivio=28 marzo 2006|editore=Chicago Sun-Times|accesso=2 agosto 2019|lingua=en}}</ref> L'aver ottenuto un LED con emissione nel visibile, quindi l'aver realizzato per la prima volta un [[componente elettronico]] in grado di emettere luce percepibile dall'uomo, rese Holonyak all'occhio del pubblico come il "padre" del LED. Nel [[1972]], George Craford,<ref>{{Cita pubblicazione|anno=1995|volume=32|pp=
=== L'utilizzo di massa ===
[[File:MFrey 2 Color LED.jpg|thumb|left|LED a due colori]]
I primi LED commerciali furono impiegati per sostituire alcune lampade a [[incandescenza]] e al [[Lampada al neon|neon]], per i [[display a sette segmenti]],<ref>{{Cita pubblicazione|url=http://www.datamath.org/Display/Monsanto.htm|titolo=LEDs cast Monsanto in Unfamiliar Role|autore=George Rostky|rivista=Electronic Engineering Times (EETimes)|data=marzo 1997|numero=944|lingua=en}}</ref> per gli [[Optoisolatore|optoisolatori]], per equipaggiamenti costosi da laboratorio dapprima e per poi passare a calcolatrici, televisori, radio, telefoni e molto altro. Sia i LED a infrarossi sia quelli nel visibile erano però ancora estremamente costosi, nell'ordine dei duecento [[Dollaro statunitense|dollari]] ciascuno, di conseguenza erano usati relativamente poco.<ref name="Schubert" /> A partire dal [[1968]], la [[Monsanto Company]] fu la prima al mondo a iniziare la produzione in massa di LED nel visibile, usando [[Gallio (elemento chimico)|gallio]], [[arsenico]] e [[fosforo]] per realizzare LED rossi adatti come indicatori (frecce, numeri, ecc).<ref name="Schubert">{{Cita libro|autore=E. Fred Schubert|titolo=Light-Emitting Diodes|editore=Cambridge University Press|anno=2003|capitolo=Chapter 1|isbn=978-0-8194-3956-7|lingua=en}}</ref> Successivamente, iniziarono a essere disponibili altri colori e i LED cominciarono ad apparire su svariati altri equipaggiamenti e dispositivi. Negli [[Anni 1970|anni settanta]], dispositivi a LED venivano prodotti e commercializzati a meno di cinque centesimi ciascuno. Tali diodi erano formati da chip in semiconduttore fabbricati con il [[processo planare]] di crescita ideato da [[Jean Hoerni]] alla [[Fairchild Semiconductor]].<ref>{{Cita brevetto|titolo=Method of Manufacturing Semiconductor Devices|numeropubblicazione=US3025589|inventore=Jean Amédée Hoerni|wkinventore=Jean Hoerni|datapriorità=4 novembre 1955|assegnatario=[[Fairchild Semiconductor]]|dataregistrazione=20 marzo 1962|lingua=en|url=http://www.google.com/patents/US3025589}}</ref> La combinazione di questo processo con metodi di incapsulamento innovativi permise alla Fairchild, sotto la guida del pioniere dell'optoelettronica Thomas Brandt, di ridurre fortemente i costi di produzione,<ref>{{Cita news|autore=Jeffrey Bausch|titolo=The Long History of Light Emitting Diodes|url=http://www.electronicproducts.com/Optoelectronics/LEDs/The_long_history_of_light-emitting_diodes.aspx|editore=Hearst Business Communications|data=dicembre 2011|lingua=en}}</ref> facendo da apri pista per tutti gli altri produttori.<ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Park|nome=S. -I.|cognome2=Xiong|nome2=Y.|cognome3=Kim|nome3=R. -H.|cognome4=Elvikis|nome4=P.|cognome5=Meitl|nome5=M.|cognome6=Kim|nome6=D. -H.|cognome7=Wu|nome7=J.|cognome8=Yoon|nome8=J.|cognome9=Yu|nome9=C. -J.|cognome10=Liu|nome10=Z.|cognome11=Huang|nome11=Y.|cognome12=Hwang|nome12=K. -C.|cognome13=Ferreira|nome13=P.|cognome14=Li|nome14=X.|cognome15=Choquette|nome15=K.|cognome16=Rogers|nome16=J. A.|doi=10.1126/science.1175690|titolo=Printed Assemblies of Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays|rivista=Science|volume=325|numero=5943|pp=977–981|anno=2009|pmid=19696346|url=http://vcsel.mntl.illinois.edu/Pubs/Pubs+2009/2009+Sci+325+977+flex+substrate+LED.pdf|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20151024212822/http://vcsel.mntl.illinois.edu/Pubs/Pubs%202009/2009%20Sci%20325%20977%20flex%20substrate%20LED.pdf |dataarchivio=24 ottobre 2015|bibcode=2009Sci...325..977P|lingua=en}}</ref>▼
▲I primi LED commerciali furono impiegati per sostituire alcune lampade a [[incandescenza]] e al [[Lampada al neon|neon]], per i [[display a sette segmenti]],<ref>{{Cita pubblicazione|url=http://www.datamath.org/Display/Monsanto.htm|titolo=LEDs cast Monsanto in Unfamiliar Role|autore=George Rostky|rivista=Electronic Engineering Times (EETimes)|data=marzo 1997|numero=944|lingua=en}}</ref> per gli [[Optoisolatore|optoisolatori]], per equipaggiamenti costosi da laboratorio dapprima e per poi passare a calcolatrici, televisori, radio, telefoni e molto altro. Sia i LED a infrarossi sia quelli nel visibile erano però ancora estremamente costosi, nell'ordine dei duecento [[Dollaro statunitense|dollari]] ciascuno, di conseguenza erano usati relativamente poco.<ref name="Schubert" /> A partire dal [[1968]], la [[Monsanto Company]] fu la prima al mondo a iniziare la produzione in massa di LED nel visibile, usando [[Gallio (elemento chimico)|gallio]], [[arsenico]] e [[fosforo]] per realizzare LED rossi adatti come indicatori (frecce, numeri, ecc).<ref name="Schubert">{{Cita libro|autore=E. Fred Schubert|titolo=Light-Emitting Diodes|editore=Cambridge University Press|anno=2003|capitolo=Chapter 1|isbn=978-0-8194-3956-7|lingua=en}}</ref> Successivamente, iniziarono a essere disponibili altri colori e i LED cominciarono ad apparire su svariati altri equipaggiamenti e dispositivi. Negli [[Anni 1970|anni settanta]], dispositivi a LED venivano prodotti e commercializzati a meno di cinque centesimi ciascuno. Tali diodi erano formati da chip in semiconduttore fabbricati con il [[processo planare]] di crescita ideato da [[Jean Hoerni]] alla [[Fairchild Semiconductor]].<ref>{{Cita brevetto|titolo=Method of Manufacturing Semiconductor Devices|numeropubblicazione=US3025589|inventore=Jean Amédée Hoerni|wkinventore=Jean Hoerni|datapriorità=4 novembre 1955|assegnatario=[[Fairchild Semiconductor]]|dataregistrazione=20 marzo 1962|lingua=en|url=http://www.google.com/patents/US3025589}}</ref> La combinazione di questo processo con metodi di incapsulamento innovativi permise alla Fairchild, sotto la guida del pioniere dell'optoelettronica Thomas Brandt, di ridurre fortemente i costi di produzione,<ref>{{Cita news|autore=Jeffrey Bausch|titolo=The Long History of Light Emitting Diodes|url=http://www.electronicproducts.com/Optoelectronics/LEDs/The_long_history_of_light-emitting_diodes.aspx|editore=Hearst Business Communications|data=dicembre 2011|lingua=en}}</ref> facendo da apri pista per tutti gli altri produttori.<ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Park|nome=S. -I.|cognome2=Xiong|nome2=Y.|cognome3=Kim|nome3=R. -H.|cognome4=Elvikis|nome4=P.|cognome5=Meitl|nome5=M.|cognome6=Kim|nome6=D. -H.|cognome7=Wu|nome7=J.|cognome8=Yoon|nome8=J.|cognome9=Yu|nome9=C. -J.|cognome10=Liu|nome10=Z.|cognome11=Huang|nome11=Y.|cognome12=Hwang|nome12=K. -C.|cognome13=Ferreira|nome13=P.|cognome14=Li|nome14=X.|cognome15=Choquette|nome15=K.|cognome16=Rogers|nome16=J. A.|doi=10.1126/science.1175690|titolo=Printed Assemblies of Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays|rivista=Science|volume=325|numero=5943|pp=
[[File:TI-30-LED-Display-3682e1.jpg|thumb|Display di una calcolatrice TI-30 (ca. 1978). Le lenti in plastica aumentavano l'intensità luminosa dei singoli LED]]
I primi LED avevano un involucro metallico simile a quello usato per i [[transistor]], con una lente di vetro per il passaggio dei fotoni. Successivamente si passò a involucri trasparenti in plastica, di varie forme, e spesso con tinte corrispondenti al colore della luce emessa. Nel caso di LED infrarossi, la tinta può essere applicata per ottenere l'effetto contrario, ossia bloccare l'uscita di luce visibile. Specifici incapsulamenti sono stati poi ideati per la dissipazione efficiente di calore dei LED ad alta potenza.
=== L'avvento dei LED blu ===
Il primo LED blu-violetto fu realizzato con [[nitruro di gallio]] (GaN) dopato con [[magnesio]] all'[[Università di Stanford]] nel [[1972]] da Herb Maruska e Wally Rhines, dottorandi in scienza dei materiali e ingegneria.<ref>{{Cita web|url=http://spectrum.ieee.org/tech-talk/geek-life/history/rcas-forgotten-work-on-the-blue-led|titolo=Nobel Shocker: RCA Had the First Blue LED in 1972|editore=IEEE Spectrum|data=9 ottobre 2014|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita web|url=http://www.oregonlive.com/silicon-forest/index.ssf/2014/10/oregon_tech_ceo_says_nobel_pri.html|titolo=Oregon tech CEO says Nobel Prize in Physics overlooks the actual inventors|editore=The Oregonian|data=16 ottobre 2014|lingua=en}}</ref> L'anno precedente, un ex collega di Maruska, Jacques Pankive, assieme a Ed Miller, alla Radio Corporation of America, ottennero per la prima volta elettroluminescenza blu attraverso il nitruro di gallio però con drogaggio in [[zinco]]: da esso, poi, ottennero il primo diodo in nitruro di gallio a emettere luce verde.<ref>{{Cita libro|autore=E. Fred Schubert|anno=2006|titolo=Light-emitting diodes|url=https://archive.org/details/lightemittingdio00schu_0|edizione=2ª ed.|editore=Cambridge University Press|isbn=0-521-86538-7|pp=
Nell'agosto [[1989]], la Cree fu la prima società a commercializzare LED blu in carburo di silicio, quindi con una [[banda proibita indiretta]] che però rende il dispositivo molto poco efficiente.<ref>{{Cita web|url=http://www.cree.com/about/milestones.asp|titolo=Major Business and Product Milestones|editore=Cree Inc.|accesso=3 agosto 2019|lingua=en|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20110413031614/http://www.cree.com/about/milestones.asp |dataarchivio=13 aprile 2011}}</ref><ref>{{Cita web|titolo=History & Milestones|url=http://www.cree.com/About-Cree/History-and-Milestones|editore=Cree Inc.|accesso=3 agosto 2019|dataarchivio=16 febbraio 2017|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20170216121011/http://cree.com/About-Cree/History-and-Milestones|urlmorto=sì}}</ref> Sempre alla fine degli [[Anni 1980|anni ottanta]], dei traguardi chiave nella [[Fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore|crescita epitassiale]] del nitruro di gallio con drogaggio di [[Accettore di elettroni|accettori]]<ref>{{Cita web|titolo=GaN-based blue light emitting device development by Akasaki and Amano|sito=Takeda Award 2002 Achievement Facts Sheet|editore=The Takeda Foundation|data=5 aprile 2002|url=http://www.takeda-foundation.jp/en/award/takeda/2002/fact/pdf/fact01.pdf|accesso=3 agosto 2019|lingua=en}}</ref> portarono i dispositivi optoelettronici nell'era moderna. Su queste basi, nel [[1991]] Theodore Moustakas, della [[Boston University]], ideò un metodo per la produzione di LED blu ad alta luminescenza attraverso un processo in due sole fasi, ottenendo un brevetto sei anni dopo.<ref>{{Cita brevetto|inventore=Theodore D. Moustakas|numerpubblicazione=US5686738A|titolo=Highly insulating monocrystalline gallium nitride thin films|datapriorità=18 marzo 1991|dataregistrazione=11 novembre 1997|assegnatario=[[Università di Boston]]|lingua=en|url=http://www.freepatentsonline.com/5686738.html}}</ref>
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Parallelamente, a [[Nagoya]], [[Isamu Akasaki]] e lo stesso Hiroshi Amano lavorarono allo sviluppo di un metodo di crescita del nitruro di gallio su un substrato di [[zaffiro]], dopati con accettori, e sulla dimostrazione della maggiore efficienza di LED realizzati con questo procedimento. Nel [[1995]], all'[[Università di Cardiff]], Alberto Barbieri studiò l'efficienza e l'affidabilità di LED ad alta luminescenza con una struttura formata da strati in fosfuro di alluminio, gallio e indio (AlGaInP) e [[arseniuro di gallio]] (GaAs), con un "contatto trasparente" ossia una pellicola trasparente di [[ossido di indio-stagno]] (noto anche come ITO, ''Indium tin oxide'').
Tra il [[2001]]<ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Dadgar|nome=A.|cognome2=Alam|nome2= A.|cognome3=Riemann|nome3=T.|cognome4=Bläsing|nome4=J.|cognome5=Diez|nome5=A.|cognome6=Poschenrieder|nome6=M. |cognome7=Strassburg|nome7=M.|cognome8=Heuken|nome8=M.|cognome9=Christen|nome9=J.|cognome10=Krost|nome10=A. |titolo=Crack-Free InGaN/GaN Light Emitters on Si(111)|doi=10.1002/1521-396X(200111)188:1<155::AID-PSSA155>3.0.CO;2-P|rivista=Physica Status Solidi A|volume=188|pp=
Alla fine del decennio, [[Samsung]] e l'[[Università di Cambridge]] effettuano ricerche sui LED in nitruro di gallio cresciuti su substrato in silicio, inizialmente seguiti da [[Toshiba]] che però poi ne interrompe la ricerca.<ref>{{Cita web|autore=Steve Lester|anno=2014|url=https://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/lester_substrate-pkg_tampa2014.pdf|titolo=Role of Substrate Choice on LED Packaging|editore=Toshiba America Electronic Components|lingua=en|accesso=4 agosto 2019|dataarchivio=12 luglio 2014|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20140712100725/https://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/lester_substrate-pkg_tampa2014.pdf|urlmorto=sì}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://www.gan.msm.cam.ac.uk/projects/silicon|titolo=GaN on Silicon|editore=Cambridge Centre for Gallium Nitride|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita web|autore=Steve Bush|data=30 giugno 2016|url=https://www.electronicsweekly.com/blogs/led-luminaries/toshiba-gets-out-of-gan-on-si-leds-2016-06/ |titolo=Toshiba gets out of GaN-on-Si leds|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita libro|doi=10.1109/IEDM.2013.6724622|capitolo=LED manufacturing issues concerning gallium nitride-on-silicon (GaN-on-Si) technology and wafer scale up challenges|titolo=2013 IEEE International Electron Devices Meeting|anno=2013|cognome=Nunoue|nome=Shin-ya|cognome2=Hikosaka|nome2=Toshiki|cognome3=Yoshida|nome3=Hisashi |cognome4=Tajima|nome4=Jumpei|cognome5=Kimura|nome5=Shigeya|cognome6=Sugiyama|nome6=Naoharu|cognome7=Tachibana |nome7=Koichi|cognome8=Shioda|nome8=Tomonari|cognome9=Sato|nome9=Taisuke|cognome10=Muramoto|nome10=Eiji |cognome11=Onomura|nome11=Masaaki|isbn=978-1-4799-2306-9|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita web|autore=Maury Wright|data=2 maggio 2016|url=https://www.ledsmagazine.com/articles/2016/05/samsung-s-tarn-reports-progress-in-csp-and-gan-on-si-leds.html|titolo=Samsung's Tarn reports progress in CSP and GaN-on-Si LEDs|editore=LEDs Magazine|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://compoundsemiconductor.net/article/99020/Increasing_The_Competitiveness_Of_The_GaN-on-silicon_LED|titolo=Increasing The Competitiveness Of The GaN-on-silicon LED|data=30 marzo 2016|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://www.ledinside.com/news/2015/3/samsung_to_focus_on_silicon_based_led_chip_technology_in_2015 |titolo=Samsung To Focus on Silicon-based LED Chip Technology in 2015|editore=LED Inside|data=17 marzo 2015|lingua=en}}</ref> Alcuni hanno optato per la crescita epitassiale tramite [[Nanolitografia|litografia a nanostampa]]<ref>{{Cita web|url=https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2013/jan/material-and-manufacturing-improvements-enhance-led-efficiency|titolo=Material and Manufacturing Improvements|autore=Steven Keeping|editore=DigiKey|data=15 gennaio 2013|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2014/dec/manufacturers-shift-attention-to-light-quality-to-further-led-market-share-gains|titolo=Manufacturers Shift Attention to Light Quality to Further LED Market Share Gains|autore=Steven Keeping|editore=DigiKey|data=9 dicembre 2014|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2013/sep/will-silicon-substrates-push-led-lighting-into-the-mainstream|titolo=Will Silicon Substrates Push LED Lighting|autore=Steven Keeping|editore=DigiKey|data=24 settembre 2013|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2015/mar/improved-silicon-substrate-leds-address-high-solid-state-lighting-costs|titolo=Improved Silicon-Substrate LEDs Address High Solid-State Lighting Costs|autore=Steven Keeping|editore=DigiKey|data=23 marzo 2015|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita web|url=http://www.toshiba-machine.co.jp/en/NEWS/product/20110518_04.html|titolo=Development of the Nano-Imprint Equipment ST50S-LED for High-Brightness LED|editore=Toshiba Machine|data=18 maggio 2011|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://electroiq.com/2015/11/the-use-of-sapphire-in-mobile-device-and-led-industries-part-2/|2=Solid tate Technology|titolo=The use of sapphire in mobile device and LED industries: Part 2|data=26 settembre 2017|lingua=en|accesso=4 agosto 2019|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20180729111702/https://electroiq.com/2015/11/the-use-of-sapphire-in-mobile-device-and-led-industries-part-2/|dataarchivio=29 luglio 2018|urlmorto=sì}}</ref><ref>{{Cita web|url=http://www.appliedmaterials.com/semiconductor/products/epitaxy|titolo=Epitaxy|editore=Applied Materials|lingua=en}}</ref>, mentre altri per una crescita multistrato per ridurre le differenze tra strutture cristalline e tasso di espansione termica, nel tentativo di evitare rotture del chip alle alte temperature, diminuire l'emissione di calore e aumentare l'efficienza luminosa.
=== I LED bianchi e l'uso nell'illuminazione ===
[[File:Haitz-law.svg|thumb|upright=1.4|Illustrazione della Legge di Haitz, dello stesso tipo della più famosa [[legge di Moore]], che mostra l'aumento dell'intensità luminosa dei LED negli anni; le ordinate sono in scala logaritmica]]▼
La luce bianca può essere prodotta usando congiuntamente LED di colore diverso: uno rosso, uno verde e uno blu; tuttavia la qualità del colore sarà bassa poiché solo tre strette [[Larghezza di banda|bande]] dello spettro visibile vengono usate. Un metodo migliore prevede di sfruttare un LED blu ad alta efficienza, sfruttando le proprietà del [[fosforo]] per ottenere luce bianca. In questi dispositivi, quando la luce del LED blu colpisce uno strato sovrastante di fosforo, dopato con [[granato di ittrio e alluminio|granato di ittrio, alluminio]] (YAG) e [[cerio]] ([[Ittrio|Y]]<sub>3</sub>[[Alluminio|Al]]<sub>5</sub>[[Ossigeno|O]]<sub>12</sub>:Ce), produce una luce [[Fluorescenza|fluorescente]] gialla: l'effetto complessivo di luce blu e luce gialla ha una larghezza di banda molto ampia e quindi viene percepito come luce bianca dall'occhio umano, con [[indice di resa cromatica]] superiore a quello del bianco ottenuto combinando LED rossi, verdi e blu.
▲[[File:Haitz-law.svg|thumb|upright=1.4|Illustrazione della Legge di Haitz, dello stesso tipo della più famosa [[legge di Moore]], che mostra l'aumento dell'intensità luminosa dei LED negli anni; le ordinate sono in scala logaritmica]]
Come per i suoi predecessori, il primo LED bianco era costoso e inefficiente. Tuttavia, il miglioramento nella potenza luminosa emessa crebbe esponenzialmente: gli sviluppi e le ricerche più recenti sono stati portati avanti da aziende giapponesi, coreane e cinesi, come [[Panasonic]], Nichia, [[Samsung]] e Kingsun. L'andamento di questa crescita è definito dalla Legge di Haitz (in figura), che prende il nome da Roland Haitz.<ref>{{Cita pubblicazione|doi=10.1038/nphoton.2006.78|titolo=Haitz's law|anno=2007|rivista=Nature Photonics|volume=1|p=23|numero=1|bibcode = 2007NaPho...1...23.|lingua=en}}</ref>
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== Funzionamento ==
=== L'elettroluminescenza ===
[[File:PnJunction-LED-E.svg|thumb|upright=1.4|Rappresentazione di un LED in polarizzazione diretta: sopra schema della sua giunzione p-n, sotto il corrispondente diagramma a bande
Un LED è un particolare tipo di diodo a [[giunzione p-n]] formato da sottili strati di materiale [[semiconduttore]] e in grado di emettere luce quando attraversato da una corrente elettrica, per mezzo di un fenomeno noto come [[elettroluminescenza]]. Quando al diodo viene imposta una [[potenziale elettrico|tensione]] diretta gli [[Elettrone|elettroni]] vengono sospinti attraverso la regione ''n'' mentre le [[Lacuna (fisica)|lacune]] attraverso la regione ''p'', finendo entrambi nella cosiddetta "regione attiva", nei pressi della giunzione stessa, la cui naturale [[barriera di potenziale]] viene abbassata dalla tensione impressa. A favorire il passaggio di cariche elettriche è determinante il differente [[drogaggio]] di tipo ''p'' e ''n'' delle rispettive regioni. Elettroni e lacune si spostano di livello energetico in livello energetico: i primi all'interno nella [[banda di conduzione]] del semiconduttore mentre le seconde in quella [[banda di valenza|di valenza]].
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{{Doppia immagine|right|LED svg.svg|80|LED macro blue+-.png|100|Disegno e macro di un LED}}
[[File:Diodo LED.png|thumb|left|Simbolo circuitale del LED]]
La [[frequenza]], e quindi il [[colore]] se visibile, della [[radiazione]] emessa è definita anch'essa dalla [[banda proibita]]. Maggiore è l'energia rilasciata minore sarà la [[lunghezza d'onda]] e viceversa. La scelta dei semiconduttori determina dunque la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e anche l'intensità luminosa in uscita. A titolo di esempio, nei diodi in [[silicio]] e [[germanio]] l'energia rilasciata nella ricombinazione si disperde in calore poiché i due hanno una [[banda proibita indiretta]], molto poco adatta allo scopo di un LED, mentre nei diodi prodotti con [[arseniuro di gallio]] e [[nitruro di gallio]] vengono generati dei fotoni, dato che la banda proibita è diretta, ossia i minimi della banda di conduzione coincidono con i picchi della banda di valenza favorendo il "salto" dei portatori di carica.
=== L'uscita dei fotoni dal semiconduttore ===
[[File:LED-chip-20-deg-crti-angle - both types - crop.png|thumb|upright=1.4|Esempio idealizzato dei coni di emissione da una sorgente puntiforme. A sinistra un wafer completamente trasparente, a destra uno trasparente a metà]]
Solitamente, se non
I fotoni riflessi, se non riassorbiti dal semiconduttore, possono ovviamente uscire da qualunque altra superficie se incidono con un angolo che non superi quello critico. Nel caso di un blocco di semiconduttore analogo a quello in figura, cioè con superfici tra loro perpendicolari, queste agiscono tutte come specchi ad angolo e la maggior parte dei fotoni non riusciranno mai a uscire, disperdendo nel tempo la loro energia in calore.<ref name="critical"/> Superfici irregolari "a faccette", o simili a una [[lente di Fresnel]], possono permettere a una maggior quantità di fotoni di uscire.<ref>{{Cita libro|autore=Peter Capper|autore2=Michael Mauk|url=https://books.google.com/books?id=IfLGPRJDfqgC&lpg=PA389 |titolo=Liquid phase epitaxy of electronic, optical, and optoelectronic materials|editore=Wiley|anno=2007|isbn=978-0-470-85290-3|p=389|citazione=...faceted structures are of interest for solar cells, LEDs, thermophotovoltaic devices, and detectors in that nonplanar surfaces and facets can enhance optical coupling and light-trapping effects, [with example microphotograph of a faceted crystal substrate].|lingua=en}}</ref> La forma ideale per l'emissione sarebbe quindi sferica, in modo da non avere superfici su cui i fotoni impattano con angolo superiore a quello critico. Un'altra soluzione, quella fisicamente utilizzata, prevede di realizzare il diodo con una forma emisferica, la cui superficie piatta agisce da specchio cosicché i fotoni siano riflessi indietro ed escano dalla metà sferica.<ref>{{Cita libro|autore=John Dakin|autore2=Robert G. W. Brown|url=https://books.google.com/books?id=3GmcgL7Z-6YC&lpg=PA356 |titolo=Handbook of optoelectronics, Volume 2|editore=Taylor & Francis|anno=2006|isbn=0-7503-0646-7|p=356|citazione=Die shaping is a step towards the ideal solution, that of a point light source at the center of a spherical semiconductor die.|lingua=en}}</ref>
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==== Spettro luminoso ====
[[File:Led spectrum.JPG|thumb|[[Spettro elettromagnetico|Spettro luminoso]] di vari LED, messi a confronto con lo [[Spettro ottico|spettro visivo]] dell'[[occhio]] umano e della [[lampada a incandescenza]]]]
Lo spettro luminoso dei LED varia molto a seconda del LED. Se il LED è usato per illuminazione si ha generalmente una buona copertura del suo spettro, che può essere sfruttato anche al 100%; in altre applicazioni esistono LED che emettono luce non visibile.
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* [[Zaffiro]] ([[Alluminio|Al]]<sub>2</sub>[[Ossigeno|O]]<sub>3</sub>) come substrato - blu
[[File:LED spectra.svg|thumb|Spettri LED per vari semiconduttori]]
La tensione applicata alla giunzione dei LED dipende dalla [[banda proibita]] del materiale che a sua volta determina il colore della luce emessa, come riportato nella seguente tabella:
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=== Temperatura di colore ===
{{vedi anche|Temperatura di colore}}
L'esigenza di disporre di una discreta varietà di tonalità di colore in luce bianca, necessità prevalente nell'illuminazione all'interno degli edifici, ha indotto i costruttori a differenziare sensibilmente questi dispositivi in base alla [[temperatura di colore]], così che sul mercato sono presenti dispositivi selezionati e suddivisi fino a 6 fasce di temperatura, che spaziano da 2700 K (tonalità "calda") a oltre 8000 K (luce "fredda").
=== Efficienza e affidabilità ===
[[File:Grafica LED.svg|thumb|upright=1.4|Grafico di durata in ore di un LED in base alla temperatura di giunzione (J.T.) e il relativo flusso luminoso (''Φ''<sub>v</sub>)]]
I LED sono particolarmente interessanti per le loro caratteristiche di elevata [[efficienza luminosa]] A.U./A e di affidabilità
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L'incremento di efficienza è in continuo aumento: il 13 febbraio 2013 il produttore Cree ha annunciato il raggiungimento di 276 lumen per watt in luce bianca, [[temperatura di colore]] di 4401 K<ref name="White LED2">{{Cita web|titolo = Cree Sets New R&D Performance Record with 276 Lumen-Per-Watt Power LED|url = http://www.cree.com/News-and-Events/Cree-News/Press-Releases/2013/February/276-LPW|data = 10 febbraio 2013|lingua = en|accesso = 28 dicembre 2013|dataarchivio = 18 gennaio 2014|urlarchivio = https://web.archive.org/web/20140118003025/http://www.cree.com/News-and-Events/Cree-News/Press-Releases/2013/February/276-LPW|urlmorto = sì}}</ref>, con il dispositivo Xlamp alimentato a 350 mA. Un netto miglioramento, quasi una svolta sul piano dell'affidabilità, era già stato introdotto con il dispositivo MT-G, immesso sul mercato il 22 febbraio 2011 come diretto sostituto del faretto alogeno standard MR16. Per la prima volta la caratterizzazione dei parametri di questo LED è effettuata alla temperatura di 85 °C rispetto ai canonici 25 °C e nei successivi dispositivi i principali parametri sono riferiti ad entrambe le temperature.
I LED hanno un tempo di vita molto variabile a seconda del flusso luminoso, della corrente di lavoro e della temperatura d'esercizio.<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Demetrio|cognome=Iero|nome2=Massimo|cognome2=Merenda|nome3=Sonia|cognome3=Polimeni|data=2020|titolo=A Technique for the Direct Measurement of the Junction Temperature in Power Light Emitting Diodes|rivista=IEEE Sensors Journal|pp=
=== Alimentazione ===
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Volendo approntare il semplice circuito con [[resistenza elettrica|resistenza]] in serie, Rs è calcolato mediante la [[legge di Ohm]] e la [[legge di Kirchhoff]] conoscendo la corrente di lavoro richiesta ''I<sub>f</sub>'', la tensione di alimentazione ''V<sub>s</sub>'' e la tensione di giunzione del LED alla corrente di lavoro data, ''V<sub>f</sub>''.
[[File:ResistorLED.jpg|
Nel dettaglio, la formula per calcolare la resistenza in serie necessaria è:
▲[[File:ResistorLED.jpg|miniatura|Grandezze elettriche per il calcolo della resistenza di alimentazione di un LED.]]
<math>R_s={V_s-V_f \over I_f}</math> che ha come unità di misura <math>\mathrm{Ohm} = \mathrm{ {Volt \over Ampere} }</math>
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== Utilizzi ==
[[File:Diodos LED foto.png|thumb|Vari tipi di LED]]
I LED in questi anni si sono diffusi in tutte le applicazioni in cui serve:
* elevata affidabilità;
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=== Forza commerciale ===
[[File:Verschiedene LEDs.jpg|thumb|center|upright=3.4|Vari tipi di LED indicatori spia]]
La forza commerciale di questi dispositivi si basa sulla loro capacità di ottenere elevata luminosità (molte volte maggiore di quella delle lampade a filamento di tungsteno), sul basso prezzo, sull'elevata efficienza ed affidabilità (la durata di un LED è di uno-due ordini di grandezza superiore a quella delle classiche sorgenti luminose, specie in condizioni di stress meccanici). I LED lavorano a bassa tensione, possiedono alta velocità di commutazione e la loro tecnologia di costruzione è compatibile con quella dei circuiti integrati al silicio.
== Evoluzione ==
=== LED SMD ===
{{
Un modulo LED SMD è un tipo di modulo LED che utilizza la tecnologia di montaggio a superficie (SMT) per montare i chip LED sulle schede a circuito stampato (PCB).
=== LED COB ===
{{
Un LED COB (''LED Chip On Board'') è un chip di LED multipli saldati direttamente su un substrato a formare un modulo unico.
== Impiego nell'illuminazione ==
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I produttori di LED sono produttori di semiconduttori, fabbriche di silicio, mentre le lampadine vengono prevalentemente prodotte da altri fabbricanti. Vi è, pertanto, un certo ritardo tra la data d'immissione sul mercato di un nuovo dispositivo LED e la disponibilità sul mercato di una lampadina che lo utilizzi.
[[File:Luxeon-k2.png|thumb|upright=1.2|LED ad alta luminosità in tecnologia [[Surface mount technology|SMT]]
I vantaggi dei LED dal punto di vista illuminotecnico sono:
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