LED: differenze tra le versioni

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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=16–17|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita web|autore=H. Maruska|anno=2005|url=http://www.sslighting.net/news/features/maruska_blue_led_history.pdf|titolo=A Brief History of GaN Blue Light-Emitting Diodes|editore=LIGHTimes Online – LED Industry News|lingua=en|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20120611224723/http://www.sslighting.net/news/features/maruska_blue_led_history.pdf |dataarchivio=11 giugno 2012}}</ref> Nel [[1974]], Maruska, Rhines e il professor David Stevenson ricevettero il brevetto per la loro invenzione.<ref>{{Cita brevetto|inventore=David Stevenson, Wally Rhines e Herb Maruska|titolo=Gallium nitride metal-semiconductor junction light emitting diode|numeropubblicazione=US3819974A|url=https://patents.google.com/patent/US3819974|datapriorità=12 marzo 1973|dataregistrazione=25 giugno 1974|lingua=en}}</ref> Negli anni settanta, non si riuscì a trovare un uso pratico per diodi in nitruro di gallio dopati con magnesio e la ricerca rallentò, per ritornare in auge decenni dopo con lo sviluppo di LED blu e [[Diodo laser|diodi laser]].

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 doping 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=[[BostonUniversità Universitydi Boston]]|lingua=en|url=http://www.freepatentsonline.com/5686738.html}}</ref>

Nel [[1993]], con un processo di crescita simile a quello di Moustakas, [[Shūji Nakamura]], della [[Nichia]], realizzò a sua volta un LED blu ad alta luminescenza.<ref name="Nakamura">{{Cita pubblicazione|titolo=Candela-Class High-Brightness InGaN/AlGaN Double-Heterostructure Blue-Light-Emitting-Diodes|cognome=Nakamura|nome=S.|cognome2=Mukai|nome2=T.|cognome3=Senoh|nome3=M.|rivista=Appl. Phys. Lett.|anno=1994|volume=64|p=1687|bibcode=1994ApPhL..64.1687N|doi=10.1063/1.111832|numero=13|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita web|cognome=Nakamura|nome=Shuji|titolo=Development of the Blue Light-Emitting Diode|url=http://spie.org/x115688.xml|editore=SPIE Newsroom|accesso=28 settembre 2015|lingua=en}}</ref><ref>{{Cita brevetto|inventore=Naruhito Iwasa, Takashi Mukai e Shuji Nakamura|numeropubblicazione=US5578839|titolo=Light-emitting gallium nitride-based compound semiconductor device|assegnatario=[[Nichia]]|datapubblicazione=26 novembre 1996|datapriorità=20 novembre 1992|lingua=en|url=https://patents.google.com/patent/US5578839A/en?oq=US5578839}}</ref> Sia Moustakas che Nakamura ricevettero un brevetto e ciò generò confusione su chi fosse il vero inventore del LED blu in nitruro di gallio, infatti Moustakas scoprì il suo metodo per primo ma la sua registrazione all'ufficio brevetti fu successiva a quella di Nakamura. La possibilità di produrre su scala industriale LED blu aprì allo sviluppo di nuove tecnologie e applicazioni nei decenni successivi, tanto che Nakamura ricevette nel [[2006]] il [[premio Millennium Technology]]<ref>{{Cita web|url=https://www.news.ucsb.edu/2006/012148/2006-millennium-technology-prize|autore=Paul Desruisseaux|città=Santa Barbara (CA)|titolo=2006 Millennium technology prize awarded to UCSB's Shuji Nakamura|data=15 giugno 2006|accesso=3 agosto 2019|lingua=en|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20200309092844/https://www.news.ucsb.edu/2006/012148/2006-millennium-technology-prize|dataarchivio=9 marzo 2020|urlmorto=sì}}</ref> e nel [[2014]], assieme a [[Hiroshi Amano]] e [[Isamu Akasaki]], il [[premio Nobel per la fisica]].<ref name="NYT-20141007-DO">{{Cita news|cognome=Overbye|nome=Dennis|titolo=Nobel Prize in Physics|url=https://www.nytimes.com/2014/10/08/science/isamu-akasaki-hiroshi-amano-and-shuji-nakamura-awarded-the-nobel-prize-in-physics.html|data=7 ottobre 2014|pubblicazione=[[The New York Times]]|lingua=en}}</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=155–158|anno=2001|lingua=en}}</ref> e il [[2002]],<ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Dadgar|nome=A.|cognome2=Poschenrieder|nome2=M.|cognome3=BläSing|nome3=J. |cognome4=Fehse|nome4=K.|cognome5=Diez|nome5=A.|cognome6=Krost|nome6=A.|doi=10.1063/1.1479455|titolo=Thick, crack-free blue light-emitting diodes on Si(111) using low-temperature AlN interlayers and in situ Si\sub x]N \sub y] masking|rivista=Applied Physics Letters|volume=80|numero=20|p=3670|anno=2002|bibcode=2002ApPhL..80.3670D |lingua=en}}</ref> furono dimostrati con successo dei metodi di crescita del nitruro di gallio su [[silicio]] e, nel gennaio del [[2012]], [[OsramOSRAM]] trovò il modo di produrre in quantità industriale LED in nitruro di indio e gallio (InGaN) cresciuti su substrati di silicio.<ref>{{Cita web|url=http://www.osram-os.de/osram_os/EN/Press/Press_Releases/Company_Information/2012/_documents/OSRAM_PI_Production_GaNonSi_e.pdf |titolo=Success in research: First gallium-nitride LED chips on silicon in pilot stage|accesso=15 settembre 2012|urlmorto=sì |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20120915034646/http://www.osram-os.de/osram_os/EN/Press/Press_Releases/Company_Information/2012/_documents/OSRAM_PI_Production_GaNonSi_e.pdf |dataarchivio=15 settembre 2012|lingua=en}}</ref> Almeno fino al [[2017]], le aziende produttrici utilizzarono substrati di carburo di silicio, anche se il più comune rimase lo zaffiro poiché possiede proprietà molto simili al nitruro di gallio, cosa che riduce la formazione di difetti nella sua struttura cristallina durante la crescita.

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 State 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.

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!Tipo LED || tensione di giunzione V_{f ([[volt]])}

|-

| Colore [[Radiazione infrarossa|infrarosso]]

| align=center | 1,3

|-

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| align=center | 2,0

|-

| Flash [[blu]]/[[bianco (colore)|bianco]]

| align=center | 3,0

|-

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=== Alimentatori commerciali ===

Sono caratterizzati da tre parametri principali: potenza in W, corrente fornita in mA su una o più uscite, e tensione di uscita in V. La tensione di uscita non è fissa, ma è compresa tra un valore minimo e uno massimo, per garantire che la corrente si mantenga costantemente al suo valore nominale. La tensione fornita dipenderà dal tipo di LED impiegati e dal loro numero. Essendo di norma i LED collegati in [[circuiti in serie e parallelo|serie]] tra loro, la tensione sarà pari alla somma delle singole tensioni a regime ai capi di ciascun dispositivo. Un esempio pratico: ambiente dotato di 8 faretti con LED da 700 mA, nel datasheet è riportato che con questa corrente di lavoro, ai capi del LED è presente una tensione di 11,7 V, pertanto, posti in serie, 11,7 x 8 = 93,6 V, per fare accendere in modo corretto gli 8 faretti, occorre un alimentatore da 700 mA che fornisca 93,6 V in uscita mentre se i faretti fossero 7 dovrebbe fornire 81,9 V. Si comprende quindi la necessità di disporre in uscita all'alimentatore di un range di tensione più ampio possibile, in modo da offrire sufficiente flessibilità nel progetto di illuminazione di ambienti. Nel nostro esempio la potenza di un singolo faretto è data da 700 mA x 11,7 V e la potenza totale è 8,19 x 8 = 65,52 &nbsp;W. Occorre scegliere un alimentatore di questa potenza o leggermente superiore, il range di tensione di uno degli alimentatori commerciali adatto a questo esempio spazia da 64 a 129 V.

==== Polarizzazione di un LED indicatore ====

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[[File:LED streetlamp in Tallinn 018.JPG|thumb|Un lampione stradale a LED]]

I LED sono sempre più utilizzati in ambito [[Illuminotecnica|illuminotecnico]] in sostituzione di alcune sorgenti di luce tradizionali. Il loro utilizzo nell'illuminazione domestica, quindi in sostituzione di [[lampada ad incandescenza|lampade ada incandescenza]], [[lampada alogena|alogene]] o [[fluorescenza|fluorescenti]] compatte (comunemente chiamate a risparmio energetico in quanto hanno una resa superiore), è oggi possibile con notevoli risultati, raggiunti grazie alle tecniche innovative sviluppate nel campo.

All'inizio della ricerca l'efficienza luminosa quantità di luce/consumo ([[lumen|lm]]/[[Watt|W]]), era stato calcolato nel rapporto minimo di 3 a 1, successivamente è migliorato moltissimo. Il limite dei primi dispositivi adatti a essere impiegati in questo tipo di applicazione era l'insufficiente quantità di luce emessa (flusso luminoso espresso in lumen). Questo problema è stato superato con i modelli di ultima generazione, abbinando l'incremento di efficienza alla tecnica di disporre matrici di die nello stesso package collegati tra loro in serie e parallelo o realizzando la matrice direttamente nel substrato del dispositivo. L'efficienza dei dispositivi attuali per uso professionale e civile si attesta ad oltre 120 lm/W che però scendono attorno agli 80 lm/W in dispositivi a luce più calda. Per esempio il dispositivo Cree CXA3050 ha Ra>90 e 2700K. Una [[lampada ad incandescenza|lampada a incandescenza]] da 60 &nbsp;W alimentata a 220 V, emette un flusso luminoso di circa 650 lumen.

Come termine di paragone basti pensare che una lampada ad incandescenza ha un'efficienza luminosa di circa 10-19 lm/W, mentre una lampada ad alogeni circa 12-20 lm/W ed una fluorescente lineare circa 50-110 lm/W. Una minore facilità d'impiego nell'illuminazione funzionale rispetto alle lampade tradizionali è costituita dalle caratteristiche di alimentazione e dissipazione, che influiscono fortemente su emissione luminosa e durata nel tempo. Diventa comunque difficile individuare rapporti diretti tra le varie grandezze, tra le quali entra in gioco anche un ulteriore parametro, ovvero l'angolo di emissione del fascio di luce, che può variare dai circa 4 gradi a oltre 120 gradi, modificabile comunque tramite appropriate lenti poste frontalmente.

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* possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme);

* funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (normalmente tra i 3 e i 24 Vdc);

* accensione a freddo (fino a -40 [[Grado Celsius|°C]]) senza problemi;

* assenza di [[Mercurio (elemento chimico)|mercurio]];

* possibilità di creare apparecchi illuminanti di nuova foggia per via dell'impatto dimensionale ridotto;