UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA ENG04061 CIRCUITOS ELETRÔNICOS INTEGRADOS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA ENG04061 CIRCUITOS ELETRÔNICOS INTEGRADOS DIODOS EMISSORES DE LUZ (LEDs) Alexandre Bergmann Ypiranga Benevides Cássio Bortolosso Matheus Berger Oliveira Porto Alegre, Julho de 2010.

2 2 RESUMO Os LEDs são dispositivos semicondutores que exploram os conceitos da física do semicondutor e das bandas de energia para produzir energia luminosa a partir de energia elétrica. Ao ser percorrido por uma corrente elétrica, um LED emite fótons através da passagem de elétrons da banda de condução para a banda de valência. Dessa forma é possível a produção de energia luminosa com baixas perdas. Suas aplicações estendem-se desde sistemas de iluminação até modernos displays para entretenimento. Dessa forma as pesquisas na área continuam evoluindo, buscando tanto evolução na tecnologia atual quanto o desenvolvimento de novas tecnologias, como os OLEDs.

3 3 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÂO FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Constituição dos materiais Os semicondutores Tipos de materiais semicondutores Dopagem tipo P e tipo N Formação de material tipo P Formação de material tipo N Influência da temperatura nos semicondutores DIODO Junção P-N Lado P Região de depleção Lado N LED Princípio de funcionamento Construção de um LED Parâmetros fundamentais Tensão reversa máxima Tensão direta Corrente máxima direta Características da luz emitida Vantagens dos LEDs Sensibilidade do olho humano TEORIA DE BANDAS Band-gap Band-Gap direto e Band-gap indireto GERAÇÃO E RECOMBINAÇÃO Geração Recombinação MATERIAIS UTILIZADOS NOVAS TECNOLOGIAS OLED Organic Light-Emitting Diode Vantagens no uso de OLEDs: Desvantagens no uso de OLEDs:... 27

4 9. CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

5 5 1. INTRODUÇÂO Os diodos emissores de luz (LEDs) são dispositivos largamente empregados na eletrônica atual. Suas aplicações podem variar desde iluminação até displays para aplicações diversas. Dessa maneira, tornam-se dispositivos extremamente importantes na eletrônica moderna. Busca-se cada vez mais o aperfeiçoamento e a miniaturização destes dispositivos, de forma a permitir a produção de sistemas de iluminação que venham a substituir ou a minimizar a utilização de lâmpadas, devido à maior eficiência dos LEDs. Além disso, com as evoluções tecnológicas busca-se a criação de displays com resolução ainda maior, com menor espessura e com consumo de energia elétrica menor. Observa-se que a importância do LED é gigantesca, ainda mais considerando que é um dispositivo de funcionamento relativamente simples, e de custo incrivelmente reduzido.

6 6 2. FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO 2.1. Constituição dos materiais Os materiais são constituídos por átomos, os quais são constituídos por um núcleo e uma região conhecida como eletrosfera. No núcleo encontram-se os prótons e os nêutrons, enquanto que na eletrosfera encontram-se os elétrons, distribuídos em diversas camadas ou níveis energéticos. O número de elétrons varia de material para material. Desta forma materiais diferentes possuem diferentes números de elétrons na última camada energétics, também conhecida como camada de valência. Para que um átomo esteja eletricamente estável é necessário que seu primeiro nível energético possua dois elétrons e o último oito elétrons, da mesma forma que os gases nobres se apresentam isoladamente. A estabilidade de átomos que não possuem oito elétrons em sua última camada existe na natureza, sendo a última camada completada muitas vezes através de doação e recepção de elétrons, ou através do compartilhamento de elétrons entre dois átomos de dois materiais (covalência) Os semicondutores Os materiais semicondutores são materiais que possuem uma resistividade situada entre a dos materiais condutores e a dos isolantes. Os principais materiais semicondutores utilizados na eletrônica são o Germânio(Ge) e o Silício (Si), sendo este último o mais utilizado. Recentemente há investimento em pesquisas com materiais semicondutores fabricados a partir do carbono para aplicação em dispositivos eletrônicos. Nos materiais semicondutores a camada de valência possui 4 elétrons. Como o material tende a possuir oito elétrons na camada de valência, e o elemento semicondutor só possui quatro, este acomoda os seus átomos, simetricamente entre

7 7 si, constituindo uma estrutura cristalina, através de ligações covalentes. Figura 1 Estrutura de um material semicondutor Tipos de materiais semicondutores Semicondutor intrínseco é aquele encontrado na natureza na sua forma mais pura, ou seja, a concentração de portadores de carga positiva é igual à concentração de portadores de carga negativa. Semicondutores extrínsecos ou dopados são semicondutores intrínsecos nos quais introduzimos impurezas para controlarmos as características elétricas do semicondutor. No caso do silício como material semicondutor essas impurezas são elementos da coluna III (trivalentes) ou da coluna V (pentavalentes) da tabela periódica.

8 8 Figura 2 Tabela periódia dos elementos com indicação dos elementos trivalentes e pentavalentes Dopagem tipo P e tipo N Devido à tendência de transformar-se em uma estrutura simétrica um material semicondutor quase não possui elétrons livres. Dessa forma, para utilizarmos efetivamente os materiais semicondutores são introduzidos elementos adicionais nas estruturas cristalinas, denominados impurezas, através de processos de implantação iônica ou difusão. Essas impurezas são elementos cujos átomos possuem três ou cinco elétrons na camada de valência, e são introduzidas dentro do material semicondutor em pequenas quantidades. A tendência de formar uma estrutura simétrica faz com que os átomos das impurezas acomodem-se de tal maneira que produzam portadores de carga livres. Esses portadores livres podem ser elétrons, no caso de adição de átomos com cinco elétrons na última camada, ou lacunas (falta de elétrons), no caso da adição de elementos com três elétrons na última camada.

9 Formação de material tipo P Ao realizar a dopagem do material semicondutor (Silício ou Germânio) através da introdução de impurezas com três elétrons na camada de valência como o Alumínio, o Índio, o Boro ou o Gálio, temos a formação de ligação covalente entre o material semicondutor e a impureza. Ao introduzirmos um elemento desse tipo faltará um elétron em uma das ligações atômicas, pois o elemento contribuiu com apenas três elétrons. Essa falta de elétrons (lacuna) pode recombinar-se c om um elétron que esteja na banda de condução do material. Figura 3 Formação de lacunas em um semicondutor com dopagem tipo P Formação de material tipo N Ao associarmos um elemento com cinco elétrons na última camada, como Antimônio, Fósforo ou Arsênio, ao material semicondutor, os mesmos irão formar ligações covalentes, porém haverá a liberação de um elétron livre para a banda de condução do material, o qual poderá movimentar-se livremente pela estrutura.

10 10 Figura 4 Formação de elétrons livres em semicondutores com dopagem tipo N Influência da temperatura nos semicondutores Nos condutores, um aumento na temperatura ocasiona um aumento da resistência oferecida a passagem da corrente elétrica. Já nos semicondutores há o efeito oposto, ou seja, um aumento da temperatura ocasiona uma redução da resistência oferecida a passagem da corrente elétrica, pois a energia térmica acaba liberando mais elétrons livres para a banda de condução do material. Figura 5 Comportamento da resistência elétrica de um material em relação à temperatura.

11 11 3. DIODO 3.1. Junção P-N Um diodo é formado por uma junção P-N, na qual existem portadores de carga elétrica (negativos e positivos), íons fixos (de dopantes ou contaminantes) e átomos constituintes do material (substrato) utilizado. Durante a formação da junção P-N há a formação também de uma barreira de potencial e de uma região de depleção. No instante da formação da junção surgem duas correntes: a corrente de difusão (gerada pela tendência dos portadores de cada material se distribuírem) e a corrente de deriva (devido ao campo elétrico). Inicialmente surge uma corrente de difusão maior que a corrente de deriva através da junção. Esta corrente diminui com o tempo, até que se iguala à corrente de deriva, anulando-se. Durante este processo a barreira de potencial e a região de depleção vão se formando, até que seja atingido o equilíbrio. A região de depleção é basicamente uma região na qual os portadores de carga livres recombinaram-se entre si, existindo nela apenas íons carregados positiva ou negativamente. Dessa forma, para um portador de carga atravessar a região de depleção ele deve ter uma grande energia, devido à ausência de portadores de carga livres na região. Essa energia é a chamada barreira de potencial. Lado P No lado P da junção as lacunas são os portadores majoritários, e os elétrons portadores minoritários. Ao longo da estrutura tipo P existem íons negativos, devido aos dopantes aceitadores presentes na estrutura. Região de depleção Entre os dois materiais encontra-se a região de depleção. Uma região neutra, onde apenas se encontram íons positivos e negativos fixos na estrutura cristalina.

12 12 Lado N No lado N da junção existe uma quantidade maior de elétrons na banda de condução do que lacunas. Nesse caso os elétrons são chamados portadores majoritários, e as lacunas são portadores minoritários. Além disso existem íons positivos gerados pela presença de dopantes doadores no material tipo N. Figura 6 Formação da região de depleção em uma junção P-N.

13 13 4. LED O LED (Diodo Emissor de Luz) é um dispositivo semicondutor formado por uma junção P-N que quando diretamente polarizada emite luz. A luz não é monocromática (como em um laser), consistindo de uma banda espectral relativamente estreita, e é produzida pelas interações energéticas do elétron. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte elétrica de energia é chamado eletroluminescência Princípio de funcionamento A emissão de luz em um LED ocorre quando há a passagem de um elétron da banda de condução do material semicondutor para a banda de valência. Quando ocorre a transição de um elétron de uma banda de maior energia para outra de menor energia há a emissão de energia, na forma de um fóton, ou seja, luz. O comprimento de onda da luz emitida, ou seja, sua cor, depende do band gap do material. O band gap é a diferença de energia entre as bandas de valência e de condução do material. Quanto maior o band gap menor o comprimento de onda da luz emitida Construção de um LED Um LED é um dispositivo relativamente simples de ser fabricado, devido ao seu número reduzido de elementos constituintes. A figura 7 mostra a constituição de um LED, mostrando os pinos terminais, o dispositivo semicondutor e as lentes que o constituem.

14 14 Figura 7 Construção de um LED 4.3. Parâmetros fundamentais Assim como os diodos comuns, os LED'S apresentam parâmetros de funcionamento que devem ser rigorosamente respeitados, sob pena do não-funcionamento ou até da inutilização do componente caso sejam ultrapassados. Os principais limites dos LED'S são tensão reversa máxima, tensão direta de operação e corrente máxima direta. Tensão reversa máxima A tensão reversa máxima é a máxima tensão que o LED suporta quando inversamente polarizado. Caso este limite seja ultrapassado serão causados grandes danos ao dispositivo. Ao contrário dos diodos comuns, que podem ser construídos para resistir a tensões inversas muito altas (acima de 100V), a grande maioria dos LED's não suporta grandes valores de tensão reversa, estando os limites normais entre 4 e 6 volts.

15 15 Tensão direta É a tensão que deve ser aplicada ao LED em polarização direta, para ocorrer produção de luz. Este parâmetro normalmente tem valor baixo. A grande maioria dos LED's apresenta uma tensão direta entre 1,5 e 2 V, dependendo de suas características, principalmente sua cor. Corrente máxima direta É, provavelmente, o mais importante dos parâmetros, pois é responsável pela luminosidade máxima que se pode obter do componente. Representa a maior corrente que o LED pode suportar sem ser danificado quando diretamente polarizado. A grande maioria dos LED's apresenta uma corrente máxima direta entre 40 e 50 ma. Este parâmetro não deve ser ultrapassado, pois uma corrente mais intensa do que o valor máximo que o componente pode suportar acarretará inicialmente o seu sobreaquecimento e em seguida danos irreparáveis em sua estrutura. É importante saber também que a luminosidade do LED é diretamente proporcional à corrente que o percorre, ou seja, quanto maior a corrente, mais intensa é a luz emitida. O LED começa a emitir luz com baixos valores de corrente, desde poucos miliampères Características da luz emitida A luz emitida por um LED depende do material do qual ele é constituído, bem como do respectivo band-gap associado a este material, que é a diferença de energia existente entre as bandas de valência e de condução do material. Podemos dizer, então, que as características intrínsecas do material constituinte determinam a cor da radiação eletromagnética emitida. No entanto, é interessante ressaltar o fato de que o espectro apresenta sensibilidade com relação a fatores extrínsecos no que se refere à agitação térmica. Um aumento de temperatura faz com que a radiação emitida tenha um espectro mais poluído se comparado a temperaturas mais baixas. Podemos dizer, então, que à medida que a temperatura cresce, a pureza espectral diminui. Isto pode ser explicitado através da figura 8.

16 16 Figura 8 Pureza espectral a diferentes temperaturas Vantagens dos LEDs Por terem a capacidade de emitir luz, os LEDs podem substituir as lâmpadas convencionais e até mesmo as fluorescentes em termos de eficiência. Eles possuem uma luminosidade relativamente alta se comparada à sua baixíssima emissão de calor. Entre outras vantagens podemos citar uma maior vida útil, que pode chegar a vezes mais se comparada à de uma lâmpada incandescente convencional, além de contar com uma maior robustez.

17 Sensibilidade do olho humano Dependendo do tipo de material utilizado na construção temos uma resposta diferente no que se refere à visão humana. Considerando o espectro de luz visível e levando em consideração a sensibilidade do olho humano podemos dizer que a faixa do espectro para a qual a percepção é mais intensa é aquela correspondente à região próxima do verde e do amarelo. A figura 9 mostra a sensibilidade do olho na faixa de comprimentos de onda da luz visível. Figura 9 Sensibilidade do olho humano à luz visível.

18 18 5. TEORIA DE BANDAS É interessante ressaltarmos alguns aspectos relevantes da teoria de bandas para um melhor entendimento do funcionamento dos LEDs. Os elétrons orbitam ao redor do núcleo de um átomo em espaços com quantidades de energia características denominadas níveis eletrônicos, camadas eletrônicas ou camadas de elétrons. Uma camada eletrônica é constituida por um grupo de orbitais atômicos com o mesmo valor de número quântico principal n. Em 1913, Niels Bohr ( ), fundamentado na teoria quântica da radiação formulada por Max Planck em 1900, propôs que os elétrons, em torno do núcleo atômico, giram em órbitas estacionárias denominadas de "níveis de energia". Nestes níveis energéticos os elétrons não emitem e não absorvem energia. Se receberem energia, na forma de luz ou calor, se afastam para níveis mais externos e, ao retornarem, emitem esta mesma quantidade de energia. Segundo a teoria quântica a energia envolvida na transição de um nível para outra é quantizada, ou seja, ocorre em "pacotes" inteiros, não divisíveis, denominados "quanta" ("quantum", no singular ). Para os átomos conhecidos atualmente, os elétrons ocupam 7 níveis de energia (camadas de elétrons), representados por letras maiúsculas K, L, M, N, O, P e Q, e identificados através de "números quânticos", denominados "principais" ou "primários", que são, respectivamente, 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7. A figura 10 exemplifica a teoria de bandas demonstrando a banda de condução e a banda de valência para materiais tipo P e tipo N, além do band gap existente entre elas.

19 19 Figura 10 Bandas de valência e de condução, e band-gap Band-gap Nos materiais semicondutores, à temperatura de zero Kelvin (zero absoluto) todos os elétrons encontram-se na banda de valência. Neste estado o semicondutor tem características de um isolante, ou seja, não conduz eletricidade. À medida que sua temperatura aumenta os elétrons absorvem energia, passando para a banda de condução. Esta "quantidade" de energia necessária para que o elétron efetue essa transição é chamada de band gap, ou banda proibida. Observamos que o valor do band-gap associado a um material cresce à medida que a freqüência aumenta, conforme mostra a figura 11. Figura 11 Band-gap em função da frequência da luz emitida Band-Gap direto e Band-gap indireto Um material semicondutor em band-gap direto ao ter um elétron transferido de sua camada de condução para a banda de valência apresenta emissão apenas de luz

20 como forma de liberar a energia antes absorvida na passagem do elétron no sentido contrário. 20 Já nos materiais de band-gap indireto a energia absorvida é liberada na forma não apenas de luz, mas também de calor, ou seja, são emitidos fônons.

21 21 6. GERAÇÃO E RECOMBINAÇÃO Quando um material semicondutor intrínseco está a uma temperatura de 0K todas as ligações atômicas de sua estrutura cristalina estão completas. Assim todas as ligações covalentes na faixa de valência estão completas, e não há portadores de carga livres na banda de condução do material Geração Ao aumentarmos a temperatura (acima de 0K) estamos fornecendo energia térmica ao sistema. Essa energia térmica provoca a vibração da estrutura cristalina do material semicondutor. A esta vibração térmica denominamos de agitação térmica. Com a agitação térmica da rede cristalina algumas ligações covalentes são quebradas, produzindo um elétron livre na banda de condução e uma lacuna livre na banda de valência. A este fenômeno chamamos de geração de portadores ou geração de pares elétrons-lacunas Recombinação Quando um elétron perde energia na foma de fônons dentro da rede cristalina na banda de condução ele tende a recombinar-se com uma lacuna que está na banda de valência, reconstituindo a ligação covalente. A este fenômeno denominamos de recombinação de pares elétrons lacunas, ou recombinação de portadores. A figura 12 mostra a relação existente entre a função densidade de probabilidade e a ocorrência do fenômeno da recombinação para dois materiais diferentes, um de band-gap direto (GaAs) e outro de band-gap indireto (Si).

22 22 Figura 12 Recombinação em materiais com band-gap direto e indireto. Observa-se que no material de band-gap direto o mínimo da banda de condução (curva superior) ocorre juntamente com o máximo da banda de valência, o que facilita a recombinação do par elétron-lacuna permitindo uma transição direta. Já no material de band-gap indireto isso não ocorre, dificultando a ocorrência de recombinação. Porém o fenômeno não fica impedido de acontecer, torna-se apenas menos provável e é consumado às custas de liberação de calor. Para este último caso, diz-se então que a recombinação ocorre em vetores k diferentes.

23 23 7. MATERIAIS UTILIZADOS A cada material utilizado está associado um relativo band-gap. Isto se deve ao fato de que as estruturas cristalinas internas de cada um se arranjam de modo diferente, o que lhes propicia diferentes características. No contexto dos LEDs é interessante analisarmos alguns materiais típicos utilizados na sua construção. A figura 13 relaciona diversos materiais com seu respectivo band-gap, dado em ev. Figura 13 Band-gap de vários materiais. Além disso, o band-gap possui uma relação com a temperatura, conforme

24 24 segue: Onde: Eg(0) é a energia no zero absoluto; T é a temperatura; α e β são constantes.

25 25 8. NOVAS TECNOLOGIAS 8.1. OLED Organic Light-Emitting Diode Tecnologia criada pela Kodak em 1980, os OLEDs prometem telas mais finas e leves que as de plasma e mais baratas que as de LCD. Os diodos orgânicos são compostos por moléculas de carbono que emitem luz ao serem submetidos à passagem de corrente elétrica. A vantagem é que, ao contrário dos LEDs tradicionais, essas moléculas podem ser diretamente aplicadas sobre a superfície da tela, usando um método de impressão. Ao aplicar uma diferença de potencial elétrico nos terminas de um OLED, passa a fluir uma corrente elétrica do cátodo para o ânodo através das camadas orgânicas, produzindo um fluxo de elétrons. Assim, o cátodo fornece elétrons à camada emissiva das moléculas orgânicas, enquanto o ânodo remove elétrons da camada condutiva das moléculas orgânicas. Isso é equivalente a entregar lacunas de elétrons à camada condutiva. No limiar entre as camadas, emissiva e condutiva, os elétrons encontram lacunas de elétrons e, quando um elétron encontra uma lacuna de elétron, preenche a lacuna, fazendo com que esse elétron caia no nível de energia do átomo que perdeu um elétron. Quando isso ocorre, o elétron fornece energia na forma de fóton, fazendo com que o OLED emita luz. A cor da luz depende do tipo de molécula orgânica na camada emissiva. Os fabricantes colocam vários tipos de filmes orgânicos no mesmo OLED para fazer displays coloridos e a intensidade ou brilho da luz depende da intensidade da corrente elétrica aplicada. A figura 14 apresenta a estrutura de um OLED. Já a figura 15 demonstra o seu funcionamento.

26 26 Figura 14 Estrutura de um OLED. Figura 15 Funcionamento de um OLED.

27 27 Vantagens no uso de OLEDs: o Telas de OLEDs possuem luz própria, ocupam pouco espaço, necessitam de pouca energia, e quando alimentadas por uma bateria, podem operar por mais tempo com a mesma carga; o Por emitir luz própria, cada OLED quando não-polarizado torna-se obscuro, obtendo-se assim o preto real, diferentemente do que ocorre com as telas de LCD, as quais não conseguem obstruir completamente a luz de fundo. Além disso não há consumo de energia para a modulação de luz de fundo; o Consumo de energia 40% menor do que um LCD com as mesmas dimensões; o Telas de OLED possuem baixos tempos de resposta (menores que 0.01ms), podem ser visualizadas de diversos ângulos (um problema das telas LCD); o Telas de OLED suportam melhor variações de temperatura, são produzidas de maneira mais simplificada e usam menos matéria prima do que as telas de LCD. Desvantagens no uso de OLEDs: o Tempo de vida: enquanto filmes de OLED vermelhos e verdes têm tempos de vida maiores (46000 a horas), orgânicos azuis atualmente têm tempos de vida mais curtos (até horas); o Fabricação: processos de fabricação são caros atualmente; o Água pode facilmente danificar OLEDs.

28 28 9. CONCLUSÃO Os diodos emissores de luz, também conhecidos como LEDs (Light-Emitting Diodes) são dispositivos semicondutores que exploram a teoria de bandas energéticas para produzir energia luminosa a partir de energia elétrica. Dispositivos cada vez mais largamente empregados, podem representar um grande avanço em um futuro próximo, pois podem permitir um grande aumento na eficiência da iluminação em ambientes de pequeno porte. Além disso, sua aplicação na eletrônica de consumo é cada vez maior. As novas tecnologias buscam estender o uso dos LEDs para outras áreas ainda dominadas por outras tecnologias, além de propiciar dispositivos mais portáveis e mais econômicos para a humanidade.

29 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS exto= Notas de Aula de ENG Notas de Aula de ENG04061.