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Energia del band gap e lunghezza d'onda emessa

1960
Semiconductor analysis in solid state physics with LED light emission.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Il colore della luce emessa da un LED è determinato dall'energia del band gap del semiconduttore ([latex]E_g[/latex]). L'energia del fotone emesso è approssimativamente uguale a [latex]E_g[/latex]. Questa energia è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda ([latex]lambda[/latex]) della luce, secondo la relazione di Planck-Einstein: [latex]E_g approx hf = frac{hc}{lambda}[/latex]. Attraverso la progettazione di leghe, il band gap può essere regolato con precisione per produrre colori diversi.

La capacità di controllare il colore di un LED è un'applicazione diretta della meccanica quantistica e della fisica dello stato solido. Il "band gap" è la differenza di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione in un semiconduttore. Affinché un elettrone si ricombini con una lacuna ed emetta un fotone, deve attraversare questo gap. L'energia del fotone emesso è quindi fondamentalmente legata all'ampiezza di questo gap.

Gli scienziati possono "progettare" il band gap creando leghe semiconduttrici composte. Ad esempio, nel fosfuro di arseniuro di gallio (GaAsP), il rapporto tra arsenico e fosforo può essere variato per modificare il band gap e quindi regolare il colore emesso dall'infrarosso (GaAs puro) al rosso. Allo stesso modo, le leghe di nitruro di indio e gallio (InGaN) sono utilizzate per i LED blu, verdi e ciano, dove il rapporto indio-gallio determina il colore esatto. Questo controllo preciso sulla composizione del materiale consente la creazione di LED in tutto lo spettro visibile, nonché nelle gamme dell'infrarosso e dell'ultravioletto, cosa impossibile con le precedenti tecnologie di illuminazione.

UNESCO Nomenclature: 2211
- Fisica dello stato solido

Tipo

Proprietà fisica

Interruzione

Sostanziale

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • La relazione di Planck (e=hf)
  • Il lavoro di Einstein sull'effetto fotoelettrico
  • sviluppo di tecniche di crescita di cristalli semiconduttori come l'epitassia
  • teoria delle bande dei solidi sviluppata da Felix Bloch e altri

Applicazioni

  • Display RGB per televisori e monitor
  • lampade per la coltivazione orticola con spettri specifici
  • spie luminose multicolore
  • illuminazione interna ed esterna per autoveicoli
  • dispositivi per fototerapia medica

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

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Argomenti correlati: band gap, lunghezza d'onda, energia dei fotoni, lega semiconduttrice, relazione di Planck-Einstein, regolazione del colore, meccanica quantistica, nitruro di gallio, arseniuro di gallio, optoelettronica.

Contesto storico

Energia del band gap e lunghezza d'onda emessa

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1960-05-16
1962
1963

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

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