salve, sono un ragazzo di 15 anni. vorrei chiedervi di spiegare il funzionamento dei led e spiegarmi come costruire un semplice circuito con qualche led

Un LED (Light Emitting Diode) è un diodo ad emissione di luce; si veda anche la precedente risposta su Vialattea http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?numero=8645.

Nel seguito cercherò di spiegare in modo un po’ più approfondito, ma senza entrare nei dettagli matematici, il funzionamento fisico dei diodi, e il motivo per cui alcuni possono emettere luce diventando LED.

Livelli energetici negli atomi
Gli elettroni negli atomi possono occupare dei livelli ben definiti di energia, che dipendono in prima approssimazione dal tipo di atomo. Gli elettroni occupano questi stati a partire dal più basso, via via riempiendo i vuoti. Se l’atomo viene eccitato (cioè gli viene fornita energia di forma opportuna) gli elettroni delle orbite più esterne possono saltare sulle orbite superiori, per poi ritornare al loro livello ri-emettendo energia. L’emissione di energia può essere radiativa, cioè mediante radiazione elettromagnetica (fotoni) o termica, cioè meccanica, cedendo energia vibrazionale al nucleo. Quando si ha emissione (o assorbimento) di fotoni c’è una relazione molto importante (dovuta ad Einstein) che lega la differenza di energia tra gli stati interessati (ΔE) alla frequenza della radiazione (ν) mediante la costante di Plank (h):

    ΔE = h ν     (1)

Se il salto energetico è abbastanza grande la frequenza emessa può cadere nello spettro visibile, e si ha quindi emissione o assorbimento di luce. Ad esempio il salto dal livello fondamentale al primo stato eccitato dell’idrogeno è pari a 13.6eV, che corrisponde ad una lunghezza d’onda addirittura nell’ultravioletto. Nei diodi LED si può indurre un gran numero di elettroni a compiere una transizione con opportuna differenza di energia per emettere luce; nel seguito vedremo come.

Bande di energia
Quando due atomi dello stesso elemento sono lontani e non interagiscono i loro livelli energetici sono identici, mentre quando sono vicini, ad esempio a formare un reticolo cristallino, come in molti solidi, il Principio di esclusione di Pauli “costringe” i loro elettroni a non occupare lo stesso livello di energia, e si ha una piccola separazione tra i livelli degli atomi. Dato il grandissimo numero di atomi nei solidi si formano delle bande di energia permesse per gli elettroni, separate dalle bande proibite, come rappresentato in Figura 1.

 

Figura 1 – Trasformazione dei livelli di energia in bande al variare della distanza interatomica
(la distanza evidenziata corrisponde alla formazione del reticolo cristallino del Si)

La banda più bassa, occupata dagli elettroni, si chiama banda di Valenza, mentre quella superiore è detta banda di Conduzione, perché gli elettroni che vi si trovano (che hanno quindi un’energia cinetica più alta) possono muoversi all’interno del cristallo, conducendo una corrente.

Conduttori, Isolanti e Semiconduttori
Quando la banda proibita è molto grande (≈10eV) l’energia termica non è sufficiente a far passare elettroni nella banda di conduzione, il materiale è allora un isolante, se invece le bande sono adiacenti, o la banda di conduzione è già parzialmente piena i materiali sono conduttori anche a basse temperature (anzi la conducibilità aumenta al diminuire della temperatura perché le vibrazioni del reticolo cristallino diminuiscono e facilitano lo scorrimento degli elettroni). Ci sono dei materiali con caratteristiche intermedie tra i due, in particolare con banda proibita di qualche eV. L’energia termica in questo caso è sufficiente a portare qualche elettrone in banda di conduzione e la conducibilità in questo caso aumenta con la temperatura, perché a temperatura più alta ci sono più elettroni in grado di condurre corrente.

Semiconduttori drogati
I semiconduttori sono di solito formati da elementi del IV gruppo (della tavola di Mendeleev) come il Si (Silicio) e il Ge (Germanio), o da leghe III-V gruppo come il GaAs (Arseniuro di Gallio), e sono detti semiconduttori intrinseci. Questo perché nelle applicazioni è utile “drogare” i semiconduttori introducendo delle impurità del III o del V gruppo. In un cristallo di Si, gli atomi sono legati tra loro a formare dei tetraedri, ognuno mettendo in comune i suoi 4 elettroni con altri quattro Si adiacenti. Un atomo del V gruppo, come il P (Fosforo) ha un elettrone in più che è praticamente libero di muoversi, mentre rimane una carica positiva fissa nel reticolo cristallino. Si formano così i semiconduttori drogati di tipo n. Analogamente introducendo impurità del III gruppo, come il B (Boro) si ha una mancanza di un elettrone, che può essere riempita da un elettrone adiacente; il tutto funziona come se ci fosse una carica positiva che si muove in direzione opposta, chiamata lacuna; in questo modo si creano i semiconduttori drogati di tipo p.

Giunzione p-n
Per realizzare un diodo basta unire due semiconduttori uno di tipo n e uno di tipo p, (questo si ottiene drogando in modo diverso due parti dello stesso cristallo di semiconduttore);  presso l’interfaccia tra n e p gli elettroni diffondono dal tipo n e vanno a riempire le lacune del tipo p lasciando le cariche positive dei nuclei dei droganti del V gruppo (tipo n) e portando delle cariche negative nei pressi dei legami con gli atomi droganti del III gruppo (tipo p). Queste cariche fisse generano un campo elettrico nella zona di svuotamento, che all’equilibrio tende a bilanciare la diffusione (vedi Figura 2).

 

 Figura 2 – Le cariche fisse nella zona di svuotamento creano un campo elettrico

Se ora viene applicata una tensione positiva al lato n rispetto al lato p (polarizzazione inversa), si incrementa il valore del campo elettrico già presente, quindi non scorre corrente (si allarga un po’ la regione di svuotamento), mentre se applichiamo una tensione opposta (polarizzazione diretta) viene diminuito il campo elettrico e la diffusione riprende, ma questa volta, avendo chiuso il circuito, continua a scorrere corrente, perché le cariche vengono rifornite dall’esterno; questo è il motivo fisico per cui i diodi funzionano come “valvole” che fanno passare la corrente solo in un verso.

Gli elettroni che diffondono nel lato p, appena superata la regione di svuotamento si ritrovano in un ambiente ricco di lacune, e quindi tendono a “ricombinarsi” facilmente, perdendo la loro energia cinetica (pari all’ampiezza della banda proibita). Se la ricombinazione è radiativa e l’ampiezza della banda proibita è sufficientemente grande viene quindi emessa luce, come spiegato all’inizio.

LED
Per costruire dei LED basta quindi che il semiconduttore con cui è costruito il diodo permetta la ricombinazione radiativa (semiconduttori diretti) e abbia una banda proibita abbastanza ampia. Il Si non va bene perché non è diretto (gli elettroni che si ricombinano subiscono anche una variazione di impulso oltre che di energia, e questo non favorisce l’emissione di fotoni). Si usa invece il GaAs, che è diretto, ma bisogna mescolare l’As con opportune dosi di P, per avere un’ampiezza sufficiente della banda proibita; si indica con GaAs1-kPk dove 1-k e k sono le frazioni molari di As e P rispettivamente.

Esempi di circuiti con LED
Se si vuole solo accendere qualche lucina colorata basta una batteria, una resistenza ed un LED. La resistenza serve a limitare la corrente. La caduta di tensione sui LED è maggiore di quella degli usuali diodi (0.7V) e dipende dal colore del LED (cioè dall’ampiezza della banda proibita). Va da 1.8V per i LED rossi, a 2V per quelli verdi. fino a 3-4V per i LED blu. Occorrono quindi almeno tre batterie stilo in serie, per avere una tensione da 4.5V.

Per avere una corrente di circa 10mA, considerando una caduta di potenziale di circa 2V sul diodo, la resistenza dovrà essere pari a

     (4.5-2)/0.01=250Ω

Per accendere più LED (in parallelo) basta mettere in serie ad ognuno la sua resistenza. Il limite è dato dalla corrente massima che può erogare la batteria, (in genere centinaia di mA), quindi si possono mettere alcuni LED in parallelo.
Verifichiamo l’assorbimento di potenza.
     PR=2.5*0.01=25mW
     PD=20mW
quindi non ci sono problemi con i componenti usuali (da 1/4 di W).

Per chi si diletta un po’ di più con l’elettronica, esistono dei componenti con i LED a sette segmenti;

con quattro di questi, un oscillatore, un contatore e un po’ di porte logiche su una basetta millefori potete costruire il vostro orologio.

Se volete realizzare un semaforo a LED, ecco un esempio molto istruttivo
http://digilander.libero.it/i2viu/semaforo.html 

Esistono poi dei circuiti integrati programmabili, che consentono di elaborare dei segnali in ingresso provenienti da vari tipi di sensori, fornendo in uscita i segnali di controllo per vari attuatori (motori, buzzer, LED, etc), che permettono di progettare e costruire circuiti più complessi e veri e propri sistemi elettronici (si veda ad es. www.nutchip.com).

Un suggerimento per un possibile utilizzo di LED è dato anche nella risposta di Vialattea
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=10240

Bibliografia e link
Si vedano anche le precedenti risposte su Vialattea:
sui LED:
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?numero=8645 
sui transistor con qualche cenno alle giunzioni pn:
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=8323tm 
cenni sulla struttura a bande:
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=9013 
una risposta molto tecnica sulle bande:
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=9263 

Un ottimo libro di livello universitario che spiega il funzionamento fisico dell’elettronica è
S.M.Sze – Dispositivi a semiconduttore – Hoepli