O que determina a cor de um LED?

Um LED (do inglês, light-emitting diode) é um semicondutor que emite luz quando uma corrente elétrica flui por ele.

Os primeiros LEDs foram usados como substitutos para pequenas lâmpadas, para indicação em instrumentos e displays. Hoje, são usados em iluminação pública, telas LCD, faróis de veículos, semáforos, flashes de câmera de celular e muitas outras utilidades — sendo conhecidos por sua alta durabilidade e baixo consumo de energia.

Apesar de os LEDs serem conhecidos por emitir luz visível, como os de TVs, eles também podem emitir luz fora do espectro visível, como no caso dos LEDs de infravermelho, presentes em controles remotos.

Mas como funciona um LED? Por que os LEDs têm várias cores?

Semicondutores

Um LED é um semicondutor. Materiais semicondutores em baixas correntes elétricas são isolantes; mas quando a corrente atinge um nível, eles passam a conduzir eletricidade como um metal “normal”. Um semicondutor, portanto, é um material entre um isolante e um condutor.

Devido a essa característica, com os semicondutores podemos controlar o fluxo da corrente elétrica e, por isso, elementos como o silício, o germânio e o gálio são usados em diodos, transistores e circuitos integrados que movem quase todo o nosso mundo contemporâneo.

Bandas de energia

O que diferencia um material condutor de um semicondutor está em como os elétrons se organizam nos átomos. Os elétrons em um átomo podem se organizar em duas faixas distintas: a banda de valência e a banda de condução.

Os elétrons na banda de valência, em estados de baixa energia, estão presos no átomo e não podem fluir livremente. Elétrons na banda de condução, em estados de alta energia, podem se mover e fluir livremente pelo material, criando uma corrente elétrica.

Dependendo do elemento químico, essas faixas podem estar unidas ou sobrepostas, fazendo com que o elétron troque facilmente de banda ao ser energizado — esses são os elementos metálicos, como o alumínio —, ou as faixas podem estar muito afastadas, dificultando os elétrons subirem de banda e fluir pelo material mesmo recebendo grandes energias — esses são os materiais isolantes, como a borracha. Esse “espaço” entre as camadas é chamado de banda proibida (ou band gap, em inglês).

Um material semicondutor é um meio-termo entre os dois. As bandas estão ligeiramente afastadas, de modo que em baixas energias os elétrons não consigam transpassar a banda proibida rumo à banda de condução (o material é um isolante); mas que, passado determinado ponto, eles tenham energia suficiente para partir para a banda de condução e se tornam materiais condutores.

E o que isso tem a ver com o LED?

Um LED é feito de material semicondutor. Existem vários materiais semicondutores, como o nitreto de gálio e o carboneto de silício, e cada material tem uma configuração diferente de elétrons, prótons e nêutrons que exigem quantidades diferentes de energia para que os elétrons saltem de bandas (isso é muito importante!).

Como foi discutido em detalhes na matéria sobre espectroscopia astronômica, a energia de um fóton e seu comprimento de onda são inversamente proporcionais. Fótons de alta energia têm menor comprimento de onda e são azuis; fótons de baixa energia têm longos comprimentos de onda e são vermelhos.

Daí vem a cor dos LEDs!

O fosfeto de gálio (GaP) e arsenieto de gálio-alumínio (AlGaAs) têm pequenos gaps de energia entre suas bandas, portanto, seus LEDs emitem luz vermelha. O LED azul usa nitreto de gálio (GaN) em sua composição, um elemento com um gap de energia mais alto. O arsenieto de gálio (GaAs) tem um gap de energia extremamente curto, exigindo baixas energias, e emitem comprimentos de onda tão longos que não são mais visíveis — o infravermelho.

E o LED branco? Assim como a cor branca é uma mistura de cores, os LEDs brancos são feitos misturando diferentes elementos que emitem luz em diversos comprimentos de onda — combinando vermelho, verde e azul.