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A Física dos LEDs

Nº 136 – Setembro 2013

Por Fábio Stasiak

Artigo

Caros Leitores, na edição do mês de julho estreei na Revista SET apresentando a construção do cenário para a revolução dos LEDs, com informações sobre a história da lâmpada incandescente e uma parte da história dos Tiranossauros- LEDs “Pré-Nakamura”. A recente descoberta de novos materiais na década de 1990 traçou um novo caminho para essa revolucionária forma de se gerar luz. Gosto de pensar que, se meu falecido Avô visse, iria querer ter no mínimo uma dúzia de lanternas LED. Nessa edição explicarei um pouco mais da física por trás desse dispositivo e curiosidades que podem nos aproximar mais dessa tecnologia.
O LED é construído a partir de um pequeno pedaço de cristal, tratado em câmaras de Plasma por processos chamados CVD (Chemical Vapor Deposition). Essa deposição sucessiva de elementos químicos cria camadas sobrepostas com diferentes elementos químicos inseridos na estrutura cristalina. Alguns desses elementos são famosos, outros conhecemos talvez somente pela Tabela Periódica dos Elementos, como: Índio, Gálio, Alumínio, Fósforo, Silício, Arsênio, Boro etc.. É um processo muito interessante, onde tudo começa se extraindo um tarugo de cristal que lembra uma mortadela petrificada [Ilustração 1]. Como matéria-prima para o substrato de se construir um LED, podemos usar diversos minérios, inclusive areia que, devidamente tratada, se pode extrair o Silício (Si). A maioria dos LEDs feitos atualmente utilizam outro minério, donde se extrai a Safira (Oxido de Alumínio – Al2O3). Também se pode fazer LEDs com Diamante*(Carbono – C). Outros materiais vem sendo pesquisados e frequentemente assimilados à tecnologia, pois essa frente de pesquisa é muito recente e há um campo imensamente vasto para ser desbravado.

Ilustração 1 – Tarugo de Safira mono-cristalino ao fundo e lingotes cilindricos de onde são fatiados os wafers para a produção de LEDs.

Depois de produzidos esses tarugos, cortam-se lâminas (Wafers) que são levadas para as câmaras de CVD, onde passam pelas deposições das camadas de semicondutores. Essas lâminas recebem ainda a deposição de uma fina camada metálica, que conduzirá a corrente elétrica para fora do cristal aos terminais metálicos do dispositivo. Os Wafers saem das câmaras de plasma e são cortados mecanicamente em minúsculos pedacinhos paralelepípedos por processos automatizados e braços robóticos micrometricamente precisos. Cada “quadradinho” desses é soldado sobre um terminal metálico e se fazem as conexões ao segundo terminal usando finíssimos filamentos de ouro (Au).
O processo de fabricação se completa no encapsulamento dessa peça com os elementos ópticos que formarão a lente por onde se irradia a Luz (resina epoxi, silicone, vidro etc). Aquela fina camada metálica citada anteriormente, que foi depositada por último sobre as camadas de semicondutores de um LED, pode ser observada a olho nu quando o dispositivo está apagado ou se pode observar quando focada com uma lente auxiliar, conforme mostra a ilustração 2, projetando a exata imagem do Chip. Cada fabricante de LED possui um design para essa última camada que acaba definindo uma identidade para cada modelo de dispositivo, apesar de não existir para essa função.

Ilustração 2 – Wafer de Safira com LEDs em construção

O desafio atual dos desenvolvedores está em conseguir evitar o calor excessivo que degrada a junção P-N dos dispositivos que, uma vez degenerados tendem a aquecer e diminuir seu brilho cada vez mais.
Para entender de um ponto de vista físico de onde e como essa luz é gerada, temos duas das camadas depositadas por CVD que formam uma junção heterogênea (junção p-n) onde os elétrons são forçados a saltarem de suas órbitas atômicas, emitindo fótons quando voltam para a nuvem eletrônica dos átomos da camada seguinte, composta de outro elemento químico. Esse elemento foi especialmente inserido no cristal como impureza por emitir radiação num determinado espectro. Nessa região (Zona de Depleção) os elétrons precisam saltar da camada superlotada de átomos com um elétron a mais para a outra camada estaticamente cheia de átomos com elétrons a menos. Essa condição define o comportamento eletrônico de um diodo, onde a corrente elétrica só tem um sentido de vazão, basicamente igual à maioria dos diodos, mas nos LEDs aproveitando-se da radiação luminosa emitida. A luz gerada na junção p-n é emitida para todos os lados do pequeno chip quadrado, mas rebate nas paredes internas do cristal e sai somente por uma das faces, a de cima no caso dos LEDs normais. Essas reflexões perdidas dentro das paredes internas ainda geram mais calor.

Ilustração 3 – Pontas de prova acendendo um único chip no meio de um Wafer semi-pronto.

 Para se construir essa pequena joia é necessário seguir uma receita minuciosa com alto grau de controle de qualidade, tanto na obtenção da matéria-prima quanto nos processos compõem camada por camada cada tipo difetente de LED. O ambiente de uma fábrica de LEDs precisa de salas com filtragem HEPA (High-Efficiency Particulate Air), com retenção de micropartículas do ar a um nível razoável.

A pureza dos elementos utilizados é fator determinante para a qualidade e durabilidade dos dispositivos. Vale lembrar que o Brasil possui em seu território, toda a matéria-prima necessária para a construção de LEDs.

Ilustração 4 – Imagens da camada metálica na superfície de um LED branco (marca CREE modelo XML-T6) (esq) , e a imagem dessa mesma superfície opaca quando o LED está aceso, focada por uma lente.(dir.).

Ilustração 5 – Ilustração das Camadas que formam o dispositivo, lapidas mecanicamente para ficarem com a face reta e quimicamente para se conseguir tornear as bases dos contatos elétricos.

Para nos ajudar a refletir sobre a existência desse tema, dessa Revista e dos meios que nos permitem lê-la, trago mais um pouco de nostalgia da lâmpada antiga. Analisando os equipamentos de lâmpada incandescente que existem até hoje, graças à história do cinema, televisão, teatro e palcos, o estado da arte atingido na construção dos equipamentos tradicionais de iluminação é supremo. Os holofotes que utilizam lâmpadas incandescentes tiveram praticamente um século de desenvolvimento, tentativas, erros e acertos. Por isso não é difícil imaginar que ainda existe um imenso caminho para a evolução dos equipamentos com LED. As elegantes soluções de engenharia usadas para se confinar, colimar, filtrar e focar a luz das lâmpadas antigas nesses equipamentos são admiráveis e as considero obras de arte. Esses artistas definiram o design dessas ferramentas de iluminação que ainda integram a maioria dos palcos e estúdios do mundo todo. O LED ainda não superou a lâmpada incandescente em alguns aspectos, mas revolução dos LEDs está trazendo um turbilhão de possibilidades e ainda não tivemos tempo para sacar do que ele é capaz. Cabe a nós experimentar para poder entender, entender e ousar para poder criar e trazer a elegância pra essas novas luzes que parecem querer entrar na moda.

*100 % dos LEDs brancos são feitos com LEDs azuis e violetas e praticamente 90% dos LEDs azuis são feitos a partir de substrato de Safira(Al2O3). Os quase 10% restantes a partir do Carbeto de Silício (SiC) e outros materiais como o Diamante, que emite uma radiação específica em Ultra-Violeta Profundo (260nm).

Por Fábio Stasiak Especialista em LEDs desde 2007, profissional em iluminação e efeitos especiais de cenografia em palcos e estúdios de teatro, cinema e TV e pesquisador na unicamp na área de efeitos da luz de LEDs sobre DNA, pelo DSIF-FEEC.