Quântica com Experimentos: LEDs são Quânticos

Quando aplicamos uma voltagem suficiente nos polos de um LED, ele emite luz. A luz vem de um pequeno pedaço de material semicondutor no interior do LED, que está encapsulado em plástico. LED é uma sigla em inglês – Light Emmiting Diode – ou diodo emissor de luz. Diodos são componentes eletrônicos que só permitem a passagem de uma corrente elétrica em um sentido. LEDs são diodos especiais, que além de fazer com que a corrente só tenha uma direção, emitem luz visível.

LEDs tem dois polos e temos de conectá-los em um circuito seguindo a orientação correta, ou seja, ao ligar em uma bateria ou pilha, o polo positivo do LED tem de estar ligado ao polo positivo da pilha, bem como o polo negativo do LED com o polo negativo da pilha. Mas devemos tomar cuidado ao ligar o LED a uma fonte de energia elétrica, pois devemos limitar a corrente que passa pelo LED. Caso contrário, corremos o risco de queimar o LED. Fazemos isso colocando um resistor no circuito, o que limita a corrente. 

Quando temos LEDs de cores diferentes, precisamos usar a voltagem correta. Podemos reparar que quanto maior é a energia da luz emitida, maior será a voltagem que temos de usar no LED. Assim, um LED azul usa uma voltagem maior que um LED vermelho. Quando montamos nossa caixa com LEDs de diferentes cores, todos ligados a um carregador de celular USB, todos eles estavam ligados em paralelo a uma fonte com 5 volts. Para ajustar a corrente passando em cada LED, usamos um resistor diferente em cada caso.

Mas como o LED emite luz? Dento do LED existe um conjunto com duas camadas de materiais semicondutores. Uma camada está ligada no polo positivo e a outra ao negativo. Uma destas camadas é de um semicondutor de tipo P, enquanto que a outra é composta de um semicondutor de tipo N. A região onde estes dois semicondutores se encontram é chamada de junção P-N. Podemos descrever o semicondutor de tipo P como sendo deficiente em elétrons. Isso acontece porque ele possui elementos com um número menor de elétrons na sua última camada que os seus vizinhos, e assim, ficam “buracos” nas ligações covalentes. Já semicondutores de tipo N possuem um excesso de elétrons, já que possuem elementos com um número maior de elétrons na sua última camada. 

Um exemplo de semicondutor é o silício. O silício possui 4 elétrons na sua última camada e assim, átomos de silício fazem 4 ligações com outros átomos de silício vizinhos. Se incluirmos na estrutura do silício puro um átomo de boro, por exemplo, este possui apenas 3 elétrons na sua última camada. Dá para perceber que ele só consegue fazer 3 ligações e que aparece um buraco na estrutura. Já um cristal de silício com impurezas de fósforo, por exemplo, teria um elétron a mais, pois o fósforo possui 5 elétrons na sua última camada. 

Quando passamos uma corrente elétrica pelo circuito, os elétrons a mais do semicondutor N combinam com os buracos do semicondutor P na junção P-N, mas para isso, eles precisam perder energia. Este processo emite energia na forma de luz. Essa energia vai depender da diferença de energia dos elétrons que estão na banda de condução do semicondutor P e a banda de valência do semicondutor N. Se a diferença de energia for pequena, o LED pode emitir radiação no infravermelho, ou luz vermelha. Aumentando essa diferença, temos LEDs de várias cores, até chegarmos em LEDs azuis ou violetas. 

Nós demonstramos como essa separação entre as bandas de energia dos semicondutores leva a diferente cores usando as rampas de diferentes alturas.