L’optoelettronica è una branca dell’elettronica che si occupa di convertire l’energia elettrica in luce e di convertire la luce in energia elettrica tramite materiali chiamati semiconduttori. I semiconduttori sono materiali solidi cristallini con conducibilità elettriche inferiori a quelle dei metalli ma superiori a quelle degli isolanti. Le loro proprietà fisiche possono essere modificate dall’esposizione a diversi tipi di luce o all’elettricità. Oltre alla luce visibile, le forme di radiazione come la luce ultravioletta e infrarossa che non sono visibili all’occhio umano possono influenzare le proprietà di questi materiali.
Una delle prime scoperte della fisica che ha portato allo sviluppo della moderna optoelettronica è nota come effetto fotoelettrico. L’effetto fotoelettrico è l’emissione di elettroni da parte di un materiale quando è esposto a determinati tipi di luce. Quando il materiale assorbe energia sufficiente sotto forma di luce, gli elettroni possono essere urtati dalla superficie del materiale, generando così una corrente elettrica e lasciando dietro di sé buchi di elettroni. Un fenomeno correlato è l’effetto fotovoltaico in cui la luce assorbita fa sì che gli elettroni di un materiale cambino gli stati energetici, creando così una tensione in grado di generare corrente elettrica.
La generazione di energia solare da celle solari che assorbono la luce del sole è un’applicazione comune che sfrutta questi effetti. L’elettricità generata in questo modo può essere utilizzata direttamente o immagazzinata in batterie per un uso successivo. Le applicazioni pratiche delle celle solari includono la generazione di energia sia sulla terra, come per le case off-grid in località remote, sia nello spazio, come per i satelliti.
L’elettroluminescenza è un altro effetto importante che viene utilizzato nell’optoelettronica. Quando l’elettricità viene applicata a determinati materiali, spinge gli elettroni in stati ad alta energia a combinarsi con lacune di elettroni e cadere in stati più stabili di energia inferiore, rilasciando così energia sotto forma di luce. I diodi emettitori di luce (LED) sono un esempio comune dell’uso dell’elettroluminescenza. I LED in una varietà di colori vengono utilizzati come indicatori di accensione, nei display digitali per articoli come calcolatrici ed elettrodomestici, per l’illuminazione di insegne e semafori, come fari e segnali sulle auto e altro ancora. Anche i cruscotti dei veicoli utilizzano comunemente l’elettroluminescenza per l’illuminazione.
La fotoconduttività è il fenomeno dell’aumento della conduttività di un materiale sotto illuminazione. Questo effetto varia con una maggiore intensità della luce generando più elettroni e lacune di elettroni in alcuni materiali, aumentando così la conduttività elettrica di questi materiali. Le macchine fotocopiatrici sono state rese possibili dall’applicazione di questo particolare fenomeno dell’optoelettronica. Quando una superficie fotoconduttiva in una macchina fotocopiatrice viene esposta a un’immagine, si crea una differenza di conduttività tra le aree illuminate che non contengono l’immagine e le sezioni non illuminate che lo contengono. Di conseguenza, la polvere nella macchina viene distribuita sotto forma di immagine, dopodiché viene fusa su un pezzo di carta per completare il processo di copiatura.
Questi e altri effetti optoelettronici sono integrati in una vasta gamma di dispositivi e applicazioni in numerose combinazioni, con ancora di più in fase di sviluppo. Molte industrie sono state rivoluzionate dall’applicazione dell’optoelettronica. I dispositivi optoelettronici svolgono un ruolo fondamentale nelle applicazioni e nei prodotti, dai computer alle comunicazioni, dalla tecnologia medica alle attrezzature militari, dalla fotografia e altre tecniche di imaging e oltre.