Estudo da Estrutura do White Light Emitting Diode White LED

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1 Estudo da Estrutura do White Light Emitting Diode White LED Laura Martinez de Novoa, Prof.Dr. Jorge Tomioka Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas, Universidade Federal do ABC Avenida dos Estados, 5001, Santo André, SP Desde a pré-história, com o uso de simples tochas, o homem já tinha consciência da importância da iluminação artificial em sua vida. A eficiência das lâmpadas convencionais não possui perspectivas de melhora já que os seus princípios físicos de geração de luz estão esgotados. A introdução de novas formas de iluminação eficientes baseada em outros princípios físicos é então muito importante para a economia energética. Os LEDs proporcionam tanto eficiência quanto durabilidade superior a de lâmpadas comuns e consomem a metade do percentual de energia elétrica que é utilizada para iluminação. Investir em pesquisas para desenvolvimento e aperfeiçoamento destes dispositivos implica em uma visível economia tanto de capital quanto de recursos energéticos. Este estudo tem como objetivo fazer uma breve explanação sobre o funcionamento de diodos emissores de luz (Light Emitting Diodes), suas características físicas, vantagens e desvantagens e sua gama de utilizações. Palavras Chave: LED, Iluminação, Diodo Semicondutor, Dopagem, Junção. 1. INTRODUÇÃO Até o início do século XI, a única alternativa para a iluminação era a produzida por combustão (tochas na pré-história mais tarde aperfeiçoadas para lamparinas a base de substâncias inflamáveis tais como cera de abelha, óleos de origem animal e vegetal e gás, o que tornou a luz mais portátil. As lamparinas foram então sendo aperfeiçoadas. Os princípios da iluminação elétrica foram só descobertos no início do século XIX, porém a substituição dos dispositivos de iluminação por combustão pelos dispositivos de iluminação por eletricidade só ocorreu por volta de Foi em 1879 que Tomas Alva Edison demonstrou sua lâmpada de filamento incandescente e obteve sua patente, com a invenção da lâmpada incandescente encerrou-se a fase do uso de materiais combustíveis para a iluminação. Mais tarde foram descobertas novas fontes emissoras de luz: em 1900, Peter Cooper patenteou a lâmpada de mercúrio, que apresentava eficiência superior à das lâmpadas incandescentes, em 1938 surgiram as lâmpadas fluorescentes. Foram descobertas as lâmpadas halógenas, de alta e baixa pressão de descarga, contendo metais pesados, entre outras. O primeiro dispositivo de luz no estado sólido foi o Limelight, descoberto por Thomas Drummond em 1826 era baseado no efeito da candoluminescência (luz produzida pela excitação térmica dos íons). Apesar de terem sido descobertos há um tempo considerável, a eficiência dos materiais de estado sólido para iluminação era restrita às cores básicas vermelho, verde e por último a azul. Sua eficiência luminosa era inferior às lâmpadas convencionais da época e seu custo era mais elevado, o que restringiu a aplicação dos LEDs à área eletrônica.na Figura 1 é apresentado um resumo histórico sobre a evolução da tecnologia das lâmpadas. Nos dias de hoje, maior parte da iluminação residencial é feita por lâmpadas incandescentes de tungstênio e lâmpadas fluorescentes portáteis de maior eficiência. A maioria dos ambientes de trabalho utiliza lâmpadas fluorescentes, apesar do inconveniente, também presente nos LEDs, de injetarem harmônicos na rede elétrica, comprometendo a qualidade da energia. Para iluminação pública são usadas lâmpadas de sódio. Com o notável desenvolvimento dos LEDs, esses padrões certamente mudarão. FIGURA 1 AQUI

2 Para avaliar o desenvolvimento científico e tecnológico sobre inovações na área de LEDs, foi realizado um levantamento de depósitos de patentes no banco de dados da Organização Mundial de Propriedade Intelectual (WIPO World Intelectual Property Organization). Observa-se na Figura 2 que na década de 90 ocorreu um grande investimento de pesquisa nesta área onde partiu da média de 2 para 137 patentes em Isto demonstra que houve um grande avanço no campo científico, tecnológico e investimento financeiro. Na Figura 3 observa-se que os EUA lideram em depósito de patentes e é superado pelos blocos de países asiáticos que totalizam 361: Japão (JP), China (CN) e Coréia (KR). FIGURA 2 AQUI FIGURA 3 AQUI Na Figura 4 são ilustrados os maiores depositantes de patentes onde pode se observar a empresa OSRAM da Alemanha na liderança e que deposita em diversos países. Observa-se ainda que o campo é dominado pelas empresas e apenas uma instituição universitária aparece na base de dados como maiores depositantes de patentes. FIGURA 4 AQUI Pelos dados da WIPO observa-se que não existe nenhuma patente depositada no Brasil e nem pelos brasileiros. Isto implica que não existem empresas, universidades e institutos de pesquisa protegendo suas pesquisas como patentes. As atividades desta área podem estar sendo publicadas em revistas e desta forma, tornase difícil para o Brasil reivindicar qualquer tipo de proteção no campo industrial. 2. LEDS INORGÂNICOS 2.1 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO LEDS produzem luz pelo movimento dos elétrons em um material semicondutor. Um diodo é o tipo mais simples de dispositivo semicondutor, feito da combinação de materiais capazes de conduzir corrente elétrica. De modo geral, um semicondutor é um material com capacidade variável de conduzir corrente elétrica. A maioria deles é feita de um condutor pobre que sofre o tratamento de dopagem, ou seja, a adição de átomos de outro material à sua composição. A esse processo dá-se o nome de dopagem que será mais aprofundada no tópico a seguir. A dopagem é necessária, pois o semicondutor feito de AlGaAs puro, por exemplo, apresenta uma estrutura onde os átomos estão ligados de uma maneira perfeita à seus átomos vizinhos, não deixando assim, nenhum elétron livre para conduzir corrente elétrica. Já no semicondutor dopado os átomos mudam a configuração de suas ligações com os átomos vizinhos, podendo adicionar elétrons livres (que sobram sem se ligar com outros) ou criar buracos livres (sem ligação) com os quais o elétron pode se combinar. Ambas as mudanças tornam o material mais condutível. O semicondutor que possui elétrons extras chama-se Semicondutor tipo N, uma vez que possui partículas extras negativas. Nesses semicondutores, os elétrons migram de uma área carregada negativamente para uma área carregada positivamente O semicondutor que possui buracos extras chama-se Semicondutor tipo P por possuir partículas extras positivas. Os elétrons conseguem pular de buraco em buraco, de uma área negativa para uma área positiva, como resultado os buracos aparentam mover-se de uma área positiva para uma área negativa.

3 Um diodo é então composto por uma junção do semicondutor tipo-n com um do tipo-p sendo que esse arranjo só conduz corrente elétrica em um único sentido. Quando não se aplica voltagem ao diodo, elétrons do semicondutor N preenchem os buracos do semicondutor tipo P, formando a zona de depleção (Figura5) que separa as duas camadas. Em uma zona de depleção não há como ocorrer condução de corrente, pois não existem nem lacunas livres nem elétrons livres. FIGURA 5 AQUI Para se livrar da zona de depleção devese conectar ao tipo-n o pólo negativo e ao tipo-p o pólo positivo, com isso os elétrons livres do tipo-n são repelidos pelos elétrons emitidos pelo pólo negativo da tensão, e são levados para a região P o diodo, da mesma forma, os buracos movem-se em direção contrária (Figura 6). Quando a tensão aplicada é forte o suficiente, os elétrons livres que estavam nos buracos na zona de depleção são forçados para fora, a zona desaparece e a corrente flui pelo diodo. FIGURA 6 AQUI Por outro lado, se conectarmos a região-n do diodo ao pólo positivo da fonte de tensão e a região-p ao pólo negativo, a corrente não será conduzida, isso porque os elétrons livres da região P serão atraídos pelo pólo positivo da tensão e o mesmo acontecerá com os buracos e o pólo negativo (Figura 7). Assim, elétrons e buracos ficarão concentrados em lados extremos do diodo, o que aumenta a zona de depleção e não permitirá a condução de corrente. FIGURA 7 AQUI 2.2 DOPAGEM Atualmente, todos os componentes eletrônicos computadorizados (microchips e transistores) são feitos de materiais semicondutores, que possuem em sua maioria uma composição de silício. O silício, assim como o germânio e o carbono possui uma propriedade única na sua estrutura eletrônica: quatro elétrons em sua camada de valência o que permite que formem cristais, com um átomo central ligado a mais quatro átomos vizinhos em ligações covalentes perfeitas. Essa estrutura perfeita, porém, não deixa elétrons livres para condução de corrente. Por isso existe a dopagem, onde impurezas (átomos diferentes) são adicionadas ao componente (Figura 8). Dopando-se Silício com Fósforo ou Arsênio, é formado um semicondutor tipo-n, pois os dopantes possuem cinco elétrons em sua camada de valência, ou seja, fazem cinco ligações e quando ligados ao Silício, que faz somente quatro, sobra um elétron livre. Dopando-se Silício com Boro ou Gálio, que fazem somente três ligações por terem somente três elétrons em sua camada de valência, obtém-se um semicondutor do tipo P, pois ao se ligarem com o Silício são formados buracos e o elétron do silício não tem onde ligar-se. A falta de um elétron cria o efeito de uma carga positiva. Assim, o silício passa de um material praticamente isolante pra um condutor viável (não ótimo) daí o nome semicondutor. FIGURA 8 AQUI 2.3 PRODUÇÃO DE LUZ A luz é um tipo de energia que pode ser emitida por um átomo. As partículas denominadas fótons são as unidades básicas mais comuns da luz [2]. A eletroluminescência é a conversão da eletricidade diretamente em luz, ou seja, um

4 fenômeno óptico e elétrico durante o qual um material emite luz em resposta a uma corrente elétrica que o atravessa. É o resultado da recombinação radioativa entre elétrons e lacunas. Esse fenômeno pode ocorrer em uma variedade de sistemas em diferentes condições, mas o tipo de eletroluminescência mais eficiente é o causado pela injeção de portadores em semicondutores. [3] Em um átomo, os elétrons estão dispostos em orbitais, sendo que os elétrons que possuem mais energia se localizam em orbitais mais distantes do núcleo. Para que um elétron mude de um orbital para outro de maior energia é preciso fornecer energia a ele, da mesma forma, quando um elétron muda de um orbital para um de menor energia ele libera energia. Esta energia é liberada na forma de um fóton. Quanto maior for a diferença de energia entre os orbitais, mais energético é o fóton liberado,que também possui uma maior freqüência. Os elétrons livres do diodo, quando combinados com as lacunas, sofrem justamente essa queda para um orbital mais baixo na banda de valência, então esses elétrons liberam energia na forma de fótons (Figura 9). Os fótons tornam-se visíveis dependendo do tipo de material usado no diodo, por exemplo, em um diodo de silício os átomos estão organizados de uma forma que o elétron sofre uma queda de orbital relativamente baixa, conseqüentemente a freqüência do fóton é tão baixa que este não é visível ao olho humano, pois está na faixa do infravermelho do espectro da luz. O que não é necessariamente ruim, esses LEDS são ideais para controles remotos entre outros. LEDS emissores de luz visível possuem uma maior distância entre a banda de condução e os orbitais de baixa energia FIGURA 9 AQUI TRANSIÇÕES RADIATIVAS: Portadores de carga em excesso recombinamse de forma radiativa e não-radiativa. As frações destas recombinações determinam a eficiência quântica interna de um LED. Um mecanismo intrínseco de recombinação radiativa é a transição banda-a-banda, em que um par elétron-lacuna recombina-se emitindo um fóton [2]. A Figura 10 demonstra esquematicamente as transições de recombinação básica dos portadores em excesso em um semicondutor. Essas transições podem ser classificadas como: (1) Transição inter-bandas (a) Emissão intrínseca correspondendo similarmente à energia do bandgap (b) Emissão de alta-energia envolvendo portadores energéticos, às vezes relacionados por emissão de avalancha. (2) Transições envolvendo impurezas químicas e defeitos físicos. (a) Banda de condução para defeito do tipo aceptor (b) Defeito tipo doador para banda de valência. (c) Defeito doador para defeito aceptor (d) Banda-a-banda (3) Transições intra-banda (Auger Process) FIGURA 10 AQUI O número de onda de um fóton é muito pequeno se comparado com o de um elétron ou de uma lacuna, o que significa que a transição do elétron da banda de condução para a banda de valência é praticamente vertical no diagrama de bandas. Durante uma transição radiativa a energia e o momento devem ser conservados. A conservação de energia resulta na energia do fóton ser igual à

5 distância entre os níveis ocupados pelo elétron e a lacuna, respectivamente. A conservação do momento impõe requerimentos estritos na estrutura da banda de energia do semicondutor usados nas regiões ativas dos LEDs [2]. Um material luminescente eficiente é o qual transições radiativas predominam sobre as nãoradiativas. A recombinação banda-a-banda é o processo onde a recombinação radiativa é mais provável. 2.4 DESEMPENHO DO LED Considera-se que o desempenho do LED seja determinado pelo seu processo de geração de luz. Um dispositivo eletroluminescente por injeção é caracterizado por sua eficiência radiante (ŋ e ). A eficiência radiante é o fluxo radiante emitido em relação à potência fornecida. ŋ e = (ŋ ext )(ŋ f ) ŋ ext é a eficiência quântica externa, ŋ f eficiência de alimentação. é a A Eficiência quântica de um dispositivo foto sensível é a porcentagem de fótons absorvidos que irão produzir um par elétron-lacuna. É uma medição precisa da sensibilidade elétrica do dispositivo em relação à luz. A Eficiência quântica externa é o número de fótons emitidos pelo número de elétrons que atravessaram o LED. É dada pelo produto da eficiência quântica interna (ŋ rad ) pela eficiência de injeção (ŋ inj ) e eficiência óptica (ŋ opt ) ŋ ext = (ŋ inj )(ŋ rad )( ŋ opt ) A Eficiência de injeção é a fração dos elétrons que atravessao o LED que são injetados na região ativa, onde ocorre a recombinação radioativa A Eficiência quântica interna é o número de pares elétron-lacuna que se recombinam radioativamente entre o número total de pares que recombinam na região ativa. A Eficiência óptica é a fração de fótons gerados que escapam pelo dispositivo. A Eficiência de alimentação é a fração da energia média de um fóton emitido (hv) pela energia total que um par elétron- lacuna recebe pela fonte de potência. ŋ f = hv qv V = voltagem, q = carga elementar. 2.5 ASPECTOS FÍSICOS FIGURA 11 AQUI FIGURA 12 AQUI CORES E MATERIAIS 2.6 VANTAGENS TABELA 1 AQUI Todos os diodos produzem luz, porém a maioria não o faz de forma muito eficiente. Em um diodo simples o próprio material com que é feito absorve muita energia da luz, já os LEDs são construídos para maximizar essa eficiência, emitindo o máximo de fótons, e também, concentrando essa emissão em uma direção através do bulbo que envolve o dispositivo, a luz emitida é então refletida por suas paredes até a direção desejada. Por não possuírem um filamento incandescente, duram mais que as lâmpadas comuns, chegando a funcionar por 20 mil horas, além de se adaptarem mais facilmente aos circuitos modernos. Tanto sua tensão como corrente de operação são baixas. Sua maior vantagem é a alta eficiência, pois não existe alta quantidade de energia térmica dissipada, sendo assim uma maior porcentagem da energia elétrica consumida é usada para a produção de luz, economizando a demanda por energia elétrica.

6 Apesar de serem mais caros que as lâmpadas convencionais, em um longo prazo a economia de energia compensa o investimento [4]. LEDs são mais resistentes a vibrações e choques mecânicos o que aumenta ainda mais sua gama de aplicações. 2.7 DESVANTAGENS As desvantagens no uso de LEDs são seu alto custo de produção em comparação com outras lâmpadas, sua forte dependência com a temperatura de funcionamento, sua sensibilidade a alterações de voltagem (o que implica na necessidade de um resistor no circuito), como pode ser visto na Figura 13 a corrente produzida por uma polarização direta varia exponencialmente com a tensão. A qualidade da iluminação por LEDs ainda é inferior a das lâmpadas convencionais, podendo alterar a cor dos objetos por ele iluminados. Sua maior complexidade tecnológica para desenvolvimento ainda não é plenamente conhecida e não é muito explorada no Brasil. FIGURA 13 AQUI 3. GERAÇÃO DE LUZ BRANCA BASEADA NA MISTURA DE LEDs AZUL, VERMELHO E VERDE Lâmpadas baseadas em LEDs de alto brilho RGB (vermelho, verde e azul) podem produzir quase qualquer cor, inclusive luz branca. A eficiência luminosa da luz branca emitida por lâmpadas de LED já ultrapassa a eficiência das lâmpadas incandescentes. Existem dois tipos de geração de luz branca a partir de LEDs: utilizando fósforo ou então LEDs multicoloridos (incluindo LEDs RGB). A combinação de LEDs RGB proporciona uma eficiência maior comparada à dos LEDs de fósforo. Existem vários tipos de LEDs brancos multicoloridos: di, tri e tetracromáticos, ou seja, a combinação de dois, três ou quatro LEDs de cores diferentes para a obtenção da luz branca [5]. Geralmente uma maior eficiência implica em uma renderização de cor mais baixa. Por exemplo, LEDs brancos dicromáticos têm uma melhor eficiência luminosa (120 lm/w), mas a menor capacidade de renderização cromática. Em contraponto, LEDs brancos tetracromáticos têm uma excelente capacidade de renderização de cor, e conseqüentemente a eficiência luminosa mais baixa. LEDs brancos tricromáticos estão intermediários, tendo ambas boa eficiência luminosa (>70lm/W) e capacidade de renderização. A obtenção de luz branca através de LEDs RGB apresenta alguns desafios. Deve ser levado em consideração que para poder ser utilizada comercialmente em diversas aplicações a uniformidade da cor na distribuição espacial da luz da lâmpada de LEDs deve estar em níveis aceitáveis. Esta uniformidade é dificilmente alcançada, pois misturando um ou mais LEDs vermelho, verde e azul, qualquer variação em uma das cores ou um LED sequer pode causar uma variação significante na cor resultante. A Figura 14 mostra as coordenadas cromáticas obtidas com LEDs InGaN e AlInGaP. A área dentro do triângulo representa as coordenadas de cor alcançáveis em uma lâmpada de LEDs usando LEDs Azul (450nm), Verde (530nm) e Vermelho (650nm). Qualquer coordenada de cor (incluindo branco) dentro deste triângulo pode ser obtida combinando quantidades apropriadas das luzes dos LEDs vermelho, verde e azul. FIGURA 14 AQUI

7 3.1 MANUTENÇÃO DA COR E INTENSIDADE DA LUZ Por ser um semicondutor, o LED tem suas características de emissão de luz afetadas por vários fatores como temperatura e corrente. FIGURA 16 AQUI Questões térmicas: A eficácia luminosa da luz branca decai com o aumento da temperatura como no gráfico abaixo: Efeito da temperatura: A potência elétrica que é perdida em calor dissipado causa um aumento de temperatura na junção p-n do LED. A saída de luz do LED vermelho AlInGaP é reduzida em 10% a cada aumento de 10 graus Celsius. Nos LEDs InGaN verde e azul a mesma é reduzida em 5% e 2% respectivamente. O espectro do LED varia para comprimentos de onda mais longos com um aumento de temperatura. A Figura 15 mostra a variação das coordenadas de cor com a temperatura para LEDs vermelho, verde e azul. O LED azul possui uma maior variação em comparação com os LEDs vermelho e verde. FIGURA 17 AQUI A obtenção de luz branca através da combinação de LEDs RGB oferece não somente uma alternativa para produção de luz branca, mas também uma técnica nova de produção de diferentes cores de luz. Antes que esse tipo de LED possa ser produzido de forma viável, muitas técnicas e problemas precisam ser resolvidos, o que inclui o fato da sua potência cair exponencialmente com um aumento de temperatura, resultando em uma mudança drástica na estabilidade da cor. Tais problemas não são aceitáveis para uso industrial e comercial. FIGURA 15 AQUI Efeito da idade: A emissão de luz dos LEDs brancos multicoloridos muda conforme o tempo. Em geral, a emissão de luz decresce com o tempo e atinge 50% da emissão inicial após 50 mil horas de operação. O que resulta em mudanças em um LED RGD que não podem ser previstas. Efeito da corrente: O espectro do LED branco multicolorido muda para comprimentos de onda menores conforme o aumento da corrente. A variação resultante pode ser observada no gráfico abaixo. Pode se observar que as variações no LED vermelho são mínimas se comparadas com as variações dos LEDs verde e azul. Se essas grandes variações não forem levadas em consideração, a precisão para obtenção da cor branca não poderá ser mantida. 4. GERAÇÃO DE LUZ BRANCA POR LEDS À BASE DE FÓSFORO Este método é similar ao usado nas lâmpadas fluorescentes, e envolve o uso de filtros em um LED monocromático (o mais utilizado é LED azul, feito de InGaN e o LED UV). Uma fração das ondas de luz azul sofre um aumento em seu comprimento. Dependendo da cor do LED original, fósforos de diferentes corem podem ser utilizados. Se diversas camadas de fósforos de cores distintas são empregadas, o espectro emitido é aumentado, aumentando efetivamente a renderização cromática de um dado LED. LEDs à base de fósforo têm mais baixa eficiência se comparados com LEDs normais devido às perdas de calor e a outras degradações relacionadas com o fósforo, o que causa uma mudança de cor nos objetos por ele iluminados.

8 Porém, essa técnica é a mais popularmente utilizada para produção de LEDs brancos de alta intensidade, sendo mais simples que a técnica de mistura das cores primárias nos LEDs brancos multicoloridos. A maior barreira para obtenção de uma maior eficiência são as aparentemente inevitáveis perdas de energia, embora muito esforço tenha sido feito para otimização desses dispositivos em busca de maior poder luminoso e temperaturas de operação mais altas. A eficiência, por exemplo, pode ser aumentada utilizando-se tipos de fósforo mais suscetíveis. Com o seu eminente desenvolvimento, a eficiência dos LEDs à base de fósforo cresce a cada novo produto anunciado no mercado. OLEDs também são capazes de emitir luz branca de acordo com a combinação de seus materiais componentes. 5. APLICAÇÕES PARA O LED O uso comercial do LED começou no final de Os primeiros LEDs, hoje obsoletos, eram conhecidos como pequenas lâmpadas coloridas usadas como indicadores em diversos tipos de aparelhos eletrônicos. Mais tarde LEDs foram utilizados em displays alfanuméricos (compostos por pontos e barras), nas primeiras calculadoras e relógios eletrônicos. Com um maior desenvolvimento tecnológico atual, que envolve um aumento da capacidade luminosa, da eficiência e uma diminuição do custo dos dispositivos, a gama de aplicações para os LEDs tende a aumentar. As principais vantagens do LED sobre as outras lâmpadas são o menor consumo de energia elétrica e a maior durabilidade, que implica na diminuição dos custos para manutenção. Atualmente, LEDs são utilizados em semáforos e demais sinalizações de trânsito, em displays alfanuméricos e de vídeo e sinalização em automóveis, pois seu poder de iluminação é alto o suficiente para ser visível mesmo quando expostos à luz solar direta. Na área médica os LEDs podem ser encontrados em fototerapia, terapia fotodinâmica (utilizada no combate ao câncer) e polimerização de compostos dentários. Na área botânica LEDs são usados para interferir no processo de fotossíntese das plantas, aumentando seu crescimento. Dentre os instrumentos para medições óticas podemos encontrar LEDs em sensores de fluorescência e espectroscopia. Outra recente aplicação para LEDs é em TVs ou também como backlight (luz de fundo) em TVs de LCD ( Figuras 18 e 19 ). FIGURA 18 AQUI FIGURA 19 AQUI É na iluminação que os LEDs, principalmente os emissores de luz branca, encontram sua aplicação mais promissora. A proposta de uma iluminação geral feita por LEDs é garantir um nível de iluminação uniforme em uma área. Incluindo iluminação residencial, de escritório, industrial, de estabelecimentos como escolas e hospitais e também sinalizações em estradas. A iluminação baseada em LEDs é uma aplicação em constante evolução, apresentando muitas vantagens. O seu pequeno tamanho, e a possibilidade de direção da luz oferecem uma facilidade de integração com elementos arquitetônicos e versatilidade em design. Além disso, esta iluminação vai ao encontro dos padrões ambientais, pois LEDs não contêm mercúrio e também possuem um baixo consumo elétrico com uma alta eficiência luminosa. LEDs brancos de fósforo já superaram as lâmpadas incandescentes convencionais em termos de eficiência luminosa e dispositivos com séries desses LEDs já alcançaram as lâmpadas fluorescentes.

9 O maior impedimento desta aplicação é o alto custo em comparação com as outras lâmpadas, porém, este empecilho está diminuindo por um fator de 10 a cada 10 anos. Considerando a longa durabilidade dos LEDs, é esperado que a partir da segunda década do século XXI não existam mais empecilhos para esta tecnologia. 5.1 PANORAMA SOBRE A ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL No Brasil, estima-se que 30% de toda a energia elétrica consumida é utilizada para iluminação [4]. Isto significa que dos 444,6 TWh gerados em 2007 [6], 133TWh foram necessários para tal fim. Se compararmos a energia elétrica gerada anualmente em Itaipu, estimada em média de 90 TWh, concluímos que todo seu funcionamento em 2007 foi destinado à iluminação [4]. Outra analogia pode ser feita considerando que se as lâmpadas convencionais possuem uma eficiência em torno de 20% [1], 106,7 TWh foram gastos em resíduo térmico dissipado. Considerando a atual estimativa da Eletronuclear de que a usina Angra III, ainda em construção, irá gerar anualmente 10,6 TWh, percebemos que seriam necessárias dez usinas equivalentes para gerar somente o resíduo térmico dissipado. De acordo com as expectativas de crescimento econômico no Brasil, nos próximos anos serão necessários maiores investimentos em geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. A construção de novas usinas além do grande investimento financeiro implica em alterações ambientais (inundação e desapropriação de grandes áreas para usinas hidrelétricas, aumento na emissão de CO 2 para usinas termoelétricas). A simples mudança na tecnologia em iluminação já quebra vários paradigmas na forma de consumo de energia elétrica. Desta forma é possível investir menos na construção de novas usinas e priorizar os recursos financeiros em outras áreas carentes da sociedade brasileira. [4] 6. CONCLUSÃO A iluminação geral a base de LEDs brancos, atualmente ainda na fase experimental, se mostra muito promissora em termos de economia energética. As aplicações para iluminação requerem um alto fluxo luminoso, cuja geração por LEDs apresenta atualmente um custo mais elevado, porém, em um futuro próximo espera-se uma queda em seu preço e o desenvolvimento de dispositivos mais eficientes que contribuam para um uso mais racional da energia elétrica sem perda de qualidade para o consumidor e que ofereçam ao nosso país alternativas para um melhor investimento de seus recursos financeiros. No Brasil não existe nenhuma patente depositada na área de LEDs, o que é preocupante já que o Brasil está entre os maiores consumidores de energia elétrica no mundo, isto demonstra que ocorrerá uma grande dependência de fornecedores estrangeiros para fornecimento de LEDs para iluminação e para equipamentos eletrônicos. 7. AGRADECIMENTOS Ao Prof.Dr. Jorge Tomioka, minha gratidão por orientar-me a suplantar os obstáculos e a desafiar minhas próprias dificuldades ao iniciarme no fantástico mundo do conhecimento. Aos meus pais, que sempre me deram incentivo para o estudo e esperança para o futuro. 8. REFERÊNCIAS [1] Zukauskas, A., Shur, M. S., Caska,R. Introduction to Solid State Lighting. New York. Wiley, 2002.

10 [2] Millman, J., Halkias, C. C. Eletrônica: Dispositivos e Circuitos.Tóquio.McGraw- Hill Kogakusha, [3] Sze, S.M., Kwowk, K.Ng. Physics of Semiconductor Devices, 3 ed. Canada.Wiley,2007 [4] Tomioka,J., Mammana, A.P., Souza,G.P., Muller,S.L.R., Robert,R. Novos Materiais de Estado Sólido para Iluminação. In: SEMINÁRIO NACIONAL DE PROUDUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, Curitiba Paraná, [5] Muthu,S.;Schuurmans,F.J., Pashley,M.D."Red, Green, Blue LED based white light generation: Issues and control".ieee, [6] EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA (BRASIL). Balanço Energético Nacional2008: Ano base Empresa de Pesquisa Energética. Rio de Janeiro: EPE, p. Figura 2: Número de patentes concedidas em LEDs Figura 3: Número de patentes por país Figura 4: Maiores depositantes de patentes em LEDs Figura1 Evolução da tecnologia das lâmpadas utilizadas em iluminação.

11 Figura 5 - A formação da zona de depleção em um diodo. Figura 9 Formação de um fóton pela combinação de um elétron e uma lacuna. Figura 6- Desaparecimento da zona de depleção em um diodo. Figura 10 Transições de recombinação básicas em um semicondutor. Ed, Ea, Et são armadilhas do tipo doadora, aceptora e nível-profundo, respectivamente. Figura 7- Aumento da zona de depleção em um diodo. Figura 8 Dopagem em um semicondutor de silício. Figura 11 Componentes de um LED.

12 Figura 12 Vários exemplos de LEDs. Figura 16 Variação nas coordenadas cromáticas de um LED RGB a uma temperatura constante. [5] Figura 13 Curva I x V de um diodo Figura 17 - Degradação da luz branca (lm/w) com aumento da temperatura [5]. Figura 14 Sistema de coordenadas uv (CIE 1964), mostrando as coordenadas de LEDs InGaN e AlInGaP.[5] Figura 18 TV a LED. Figura 15 Variação nas coordenadas de cor como função da temperatura. [5]

13 Figura 19 LED como backlight para TV de LCD Cor Comprimento de onda [nm] Voltagem [V] Material Semicondutor Infravermelho λ > 760 ΔV < 1.9 GaAs, AlGaAs Vermelho 610 < λ < <ΔV<2.03 AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP Laranja 590 < λ < <ΔV<2.10 GaAsP, AlGaInP, GaP Amarelo 570 < λ < <ΔV<2.18 GaAsP, AlGaInP, GaP Verde 500 < λ < <ΔV<4.0 InGaN, GaN, GaP, AlGaInP, AlGaP Azul 450 < λ < <ΔV<3.7 ZnSe, InGaN, SiC Roxo Múltiplos tipos 2.48<ΔV<3.7 LED azul com fósforo vermelho Violeta 400 < λ < <ΔV<4.0 InGaN UV λ < <ΔV<4.4 AlN,AlGaN, AlGaInN)(<210nm) Branco Espectro aberto ΔV = 3.5 LEDs azul/uv com fósforo amarelo Tabela 1 Cores e seus respectivos comprimentos de onda, voltagem e materiais.

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