LED come sensore luminoso

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Colore Frequenza Lunghezza d'onda

Violetto 668-789 THz 380–450 nm
Blu 631-668 THz 450–475 nm
Ciano 606-631 THz 476-495 nm
Verde 526-606 THz 495–570 nm
Giallo 508-526 THz 570–590 nm
Arancione 484-508 THz 590–620 nm
Rosso 400-484 THz 620–750 nm

Per quanto riguarda i droganti, non credo ti interessino molto, anche se parte tutto da questi. I 3 scienziati giapponesi che hanno creato la luce blu, usando come drogante il nitruro di gallio, si sono guadagnati il premio Nobel. La luce blu, l'ultima ad essere riprodotta tra i 3 colori RGB, ha permesso l'ottenimento della luce bianca e la rivoluzione della illuminotecnica. La luce blu è la meno sensibile al nostro occhio umano. Pertanto, i LED blu, sono i più POTENTI tra gli RGB, proprio per bilanciare la carenza dell'occhio umano. Questa caratteristica porta a farti preferire questi LED, rispetto agli altri, per quello che intendi ottenere tu. Ovviamente si parla solo di LED senza filtro colorato.

Mauro (Laurenti, perchè mi chiamo Mauro anch'io), è riuscito in modo speciale a rendere "facile" l'origine della radiazione luminosa, prodotta senza filtri. Mi viene solo da aggiungere che la frequenza della radiazione luminosa prodotta si origina dalla di rotazione degli elettroni (spin) che attraversano la giunzione.

Ciao Mauro,

Era un po' di tempo che non pensavo a questa idea che mi era passata per la testa un po' di tempo fa....

Forse mi sono spiegato male nel mio primo messaggio, ma quello che intendevo io era utilizzare un diodo led come un fotodiodo. Il led ha un package trasparente e quindi la sua giunzione PN è esposta alla luce. Quando un fotone avente sufficiente energia interagisce con essa può essere in grado di permettere ad ub'elettrone di oltrepassare la barriera di potenziale che si viene a creare ai capi della giunzione, generando così una piccola corrente elettrica. Fin qui tutto normale, ci sono solo svantaggi ad utilizzare Led come fotodiodi al posto appunto dei fotodiodi . la caratteristica interessante riguarda l' energia (e quindi la frequenza) che devono avere i fotoni per permettere questo passaggio di carica. Nei fotodiodi lo spettro luminoso "accettato" è il più ampio possibile e quando si vuole detettare una determinata frequenza (e quindi colore) si antepongono dei filtri ottici. Al contrario nei Led questa banda di frequenza è piuttosto stretta (essendo un "effetto collaterale" non ci si dá molto peso) quindi io pensavo di poterli utilizzare già come una sorta di combinazione filtro+fotodiodo. Il problema è che la documentazione di questo comportamento nei datasheet dei Led non esiste, perché giustamente non vengono utilizzati per questo. Ora come ora l'unica idea che mi sia venuta in mente consisterebbe nel prendere un po' di led e provare a caratterizzarli personalmente, ma non so se sia un buon investimento in termini di tempo. Dovrei fare una specie di sistema di caratterizzazione automatico con led di diversi colori e vedere la risposta...

Ti ringrazio per l'interessamento

Saluti!

Non volevo confonderti le idee. Le variabili sono tante, ma se non riesci a separarle e affrontarle una alla volta, difficilmente troverai una "soluzione unica".

Non è vero che i fotodiodi sono sensibili all'intero spettro di luce, o meglio, è vero ma ENTRANO IN RISONANZA solo alla frequenza caratteristica di quel drogante specifico.

Ed il fenomeno di emissione/sensibilità, come sei stato capace di osservare tu, è REVERSIBILE. Ma non si tratta di filtrare tutto lo spettro per ottenere la sola radiazione che ti interessa, bensì di sfruttare l'intera energia dell'intero spettro, che mette in risonanza gli elettroni del drogante ad una sola radiazione luminosa.

Anche se è strano parlare di purezza del drogante, dal momento che per convenzione questo viene chiamato "impurità", però, più il drogante è puro e specifico, più risuona ad uno spettro di frequenze ristretto. A riprova di questo, la stessa osservazione del fenomeno dal microscopio elettronico, falsa le rilevazioni delle emissioni e questo è dovuto al raggio luminoso del microscopio. Da questo si può intuire che: maggiore è la radiazione risonante, tale come energia proveniente dall'esterno, minore è l'energia necessaria proveniente dalla alimentazione della giunzione. Se ci pensi bene, questo è banalmente il principio di funzionamento dei pannelli fotovoltaici.

Ma allo scopo di non confonderti le idee, il mio messaggio precedente voleva solo metterti al corrente che i LED a luce BLU, sono quelli con la più alta emissione di radiazione luminosa, a causa e con lo scopo di compensare il difetto di percezione dell'occhio umano della luce blu. Pertanto, secondo la tesi della reversibilità, dovrebbero essere anche quelli più sensibili. Si parla di quelli al nitruro di gallio e non di quelli colorati. Nessun filtro ottico, ma soli filtri elettronici.

Ciao Mauro,

mi piace approfondire il background fisico della questione

Non avevo capito cosa intendessi quando mi hai consigliato i led BLU. Il fatto che siano i più sensibili è certamente utile, il problema è capire se lo siano alla frequenza luminosa che interessa a me, ovvero quella verde. Considerato che questo dato non è documentato per i led, allora la soluzione che proponevo era quella di provare ad illuminarlo con led di diversi colori per vedere molto grossolanamente (ma veramante tanto grossolanamente) a quali frequenze luminose sia più sensibile quel determinato led.
Ovviamente sarebbe infinitamente più comodo leggere questo dato su un qualche datasheet.

Non ho capito che ruolo ha la frequenza di risonanza...
Da quel che mi ricordo dall'esame di microelettronica il funzionamento (che si parli di "photovoltaic mode" oppure di "Photoconductive mode") si può riassumere così:
- Un fotone colpisce un elettrone nel reticolo cristallino.
- Se ha abbastanza energia per farlo passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione allora si genera una coppia libera elettrone/lacuna che comporta una generazione di corrente elettrica.
Poi qui si può parlare di effetto fotovoltaico o effetto fotoconduttivo a seconda del fatto che si abbia polarizzato inversamente la giunzione o non la si abbia polarizzata.
Della generazione quello che interessa a me è il coefficiente di ionizzazione da impatto in funzione della frequenza. Questo segue un andamento simile a quello del grafico corrente/frequenza_raggio_incidente di un qualsiasi fotodiodo:



Nella parte ad energia più bassa (lunghezza d'onda maggiore) il grafico sale esponenzialmente perchè passa da non avere sufficiente energia per generare una coppia elettrone/lacuna, ad averne a sufficienza. Per quanto riguarda la parte ad energia più elevata, il fenomeno della generazione è limitato dalla penetrazione media del raggio luminoso nel semiconduttore. Infatti nel coefficiente di ionizzazione da impatto la frequenza del raggio si trova al denominatore. Per questo motivo il grafico scende in maniera lineare al decrescere della lunghezza d'onda.

k = I / f

Detto questo non ho capito a quale fenomeno di risonanza ti riferisci.

Grazie

Il fenomeno della risonanza si manifesta sugli elettroni, eccitati da una radiazione uguale alla loro caratteristica frequenza di rotazione, che , come abbiamo già capito, è caratteristica dell'elemento drogante.

In tali condizione, come per un qualunque altro fenomeno di risonanza, le energie necessarie ad ottenere questo stato, rispetto alle prestazioni ottenute dall'elemento risonante, raggiungono il massimo del rendimento

Quando nella giunzione del LED l'energia proviene da una differenza di potenziale, il fenomeno della risonanza produce la radiazione luminosa caratteristica. In realtà, in tali condizioni, ci sono anche altri elettroni che, nelle varie fasi di eccitazione, ruotano anche a frequenze diverse, ma quelli che raggiungono la risonanza sono quelli più efficaci, che producono radiazione luminosa con la massima efficienza.

Al contrario, quando l'energia proviene da una radiazione luminosa, solo la frequenza risonante riesce ad ottenere con la massima efficacia l'eccitazione degli elettroni di quello specifico drogante. Quindi, una specifica radiazione (colore), rispetto al restante spettro luminoso.

Rischio di andare fuori tema, ma vorrei farti osservare che un fenomeno del tutto simile si manifesta nei quarzi dove, a fronte di una energia che provoca il fenomeno della oscillazione, si osserva solo la frequenza prevalente e risonante, ottenuta con più efficacia. Il fenomeno della "drogatura dei quarzi" avviene nel "naso elettronico ", dove bastano poche molecole di inquinante (drogante) per modificare la frequenza di risonanza del quarzo. L'entità della modifica della frequenza risonante è caratteristica dell'inquinante, che può essere facilmente identificato.