La chimica delle luci LED

Con l’avvicinarsi del periodo natalizio è probabile iniziare a vedere le luci di Natale che adornano case e alberi. Negli ultimi anni le luci LED hanno subito una forte diffusione per via della loro efficienza e del minor consumo energetico. Ma come sono fatte e come funzionano queste luci? Con questo articolo si vuole analizzare la chimica delle luci LED.

Chimica dei semiconduttori per i diversi colori dei LED
La chimica delle luci LED e il loro funzionamento (Fonte: Compound Interest)

Durante le festività natalizie, le città si illuminano di mille colori grazie agli addobbi e alle luci LED. Al giorno d’oggi, tuttavia, i LED non si trovano solo nelle luci di Natale, bensì anche nelle normali lampadine. Le luci LED, infatti, hanno importanti vantaggi rispetto alle tradizionali lampadine a incandescenza:

  • Maggior durata (fino a 100 volte in più);
  • Maggior efficienza energetica (richiedono meno energia a parità di luce emessa).

LED è l’acronimo di Light-Emitting Diode (o diodo a emissione di luce). I LED sono dispositivi optoelettronici in grado di emettere fotoni in modo spontaneo quando attraversati da corrente.

I semiconduttori delle luci LED

Come avviene l’emissione dei fotoni? Cominciamo dalle basi. I LED sono realizzati con materiali semiconduttori, ovvero materiali in grado di condurre elettricamente in certe condizioni e in grado di comportarsi da isolanti elettrici in altre condizioni. Come si discuterà in seguito, i semiconduttori utilizzati nei LED sono di diversa tipologia. Tuttavia, i semiconduttori più frequenti sono quelli a base gallio. Questi semiconduttori vengono poi “drogati”, ovvero si inseriscono al loro interno altri elementi della tavola periodica, diversi da quello del semiconduttore stesso, così da modificarne le proprietà. Tra gli elementi droganti più diffusi nel campo dei LED a base gallio vi sono l’azoto e il fosforo, i quali permettono di ottenere rispettivamente il nitruro di gallio e il fosfuro di gallio.

In funzione di come si esegue il drogaggio si ottengono due diverse tipologie di semiconduttori: semiconduttori di tipo p e semiconduttori di tipo n. I primi sono caratterizzati da un’insufficienza di elettroni (leggasi un eccesso di “lacune elettroniche”); viceversa; i secondi sono caratterizzati da un’eccesso di elettroni. Con il termine lacune elettroniche si intendono posizioni in cui un elettrone potrebbe esser presente, seppur non lo sia.

I LED sono realizzati mediante l’accoppiamento di un semiconduttore di tipo p con un semiconduttore di tipo n. Applicando una corrente al LED, gli elettroni dello strato n tenderanno a muoversi verso le lacune dello strato p. Quindi, in seguito alla combinazione, si avrà un rilascio di energia sotto forma di radiazione luminosa, ovvero ciò che effettivamente possiamo osservare.

I colori dei LED

Per spiegare i diversi colori che si possono ottenere con le luci LED è necessario scendere nel dettaglio della chimica di ciò che sta alla base del loro funzionamento, ovvero i semiconduttori. Come si è detto in precedenza, i semiconduttori sono drogati con altri elementi della tavola periodica. Il drogaggio permette di modificare le proprietà dei semiconduttori, tra cui il band gap, ovvero la differenza di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione.

Nel caso dei LED, il band gap di interesse è quello tra lo strato n e lo strato p. In accordo con la Legge di Planck, maggiore è l’energia (leggasi maggiore è il band gap), maggiore sarà la frequenza della radiazione emessa, ovvero minore sarà la sua lunghezza d’onda. Pertanto, per LED di colore rosso sarà necessario un band gap piccolo; viceversa, per LED di colore blu si necessita di un band gap elevato.

Il problema legato ai LED di colore blu

Qui sorse un problema. Infatti, mentre la produzione di LED con piccolo band gap non si è rilevata problematica; al contrario, molto complicata è stata la produzione di LED con band gap elevato, ovvero in grado di emettere luce nella regione dei colori blu dello spettro del visibile.

La necessità di poter disporre di LED blu era molto sentita dalla comunità scientifica, e non solo. Infatti, in accordo con la tecnica della sintesi additiva dei colori (normalmente impiegata in gran parte dei display dei dispositivi elettronici), al fine di poter ricreare la luce bianca si necessita di luce rossa, verde e blu.

Sintesi additiva dei colori
Sintesi additiva della luce dei LED rosso, verde e blu per ottenere la luce bianca

Il problema venne risolto nei primi anni ’90, quando tre scienziati, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura, riuscirono a produrre dei LED blu efficienti con semiconduttori a base di nitruro di gallio. Per tale invenzione, i tre scienziati in questione vennero poi onorati del premio Nobel per la fisica nel non lontano 2014.