Como os LEDs se degradam lentamente no uso normal?

Pelo que entendi, um LED normalmente tem uma vida útil de talvez 25 anos com saída que decai exponencialmente em função do tempo e da corrente.

O que causa a degradação? Suponho que a corrente esteja movendo lentamente átomos na treliça, mas o que exatamente acontece?

Provavelmente, este artigo contém tudo o que você precisa para entender por que os LEDs de alta eficiência falham gradualmente:

Entendendo a causa do desbotamento nos LEDs de alto brilho (por Steven Keeping; Contribuição da Electronic Products; 2012-02-21).

Os LEDs indicadores, por outro lado, são muito menos propensos a falhas devido ao menor estresse (menor potência dissipada), mas o mecanismo deve ser o mesmo.

Seguem alguns trechos desse artigo:

Causa primária de falha

Um LED é um dispositivo elétrico e, como tal, existem muitas maneiras pelas quais pode dar errado. [...] Na prática, no entanto, os LEDs são notavelmente confiáveis ​​e é provável que "falha" seja o resultado da saída de luz abaixo de um limite aceitável (geralmente 70% da saída inicial [...]. A principal causa de que o desbotamento (ou “falha do lúmen”) é acionado (na maioria das vezes) pelas pequenas deslocações de rosca introduzidas no chip durante a fabricação de wafer.

Os deslocamentos de rosqueamento atuam como locais de nucleação para deslocamentos maiores do cristal. Elas se formam naturalmente devido ao aquecimento durante a operação, expansão térmica e retração quando o LED é ligado e desligado, além de estresse mecânico, como vibração. À medida que mais e mais deslocamentos ocorrem ao longo do tempo, o número de locais para recombinação não-radiativa aumenta e a eficiência quântica cai. (Alguns outros fatores, como a difusão de metal no semicondutor a partir dos fios de conexão, também contribuem para a falha do lúmen, mas as luxações são o mecanismo principal.)

[...]

Pior ainda, as recombinações não-radiativas que causam vibrações da estrutura cristalina aumentam a temperatura geral. Em outras palavras, à medida que o chip envelhece, ele fica cada vez mais quente para uma dada voltagem direta devido ao aumento do número de fônons, acelerando a formação de deslocamentos e a eventual morte do dispositivo.

Bottom line:

• A fabricação da junção PN não pode ser perfeita e isso leva a imperfeições na estrutura cristalina.

• Essas imperfeições apresentam um gap de banda diferente, de modo que as recombinações de orifícios de elétrons nesses locais não contribuem para a emissão de luz (por exemplo, fótons), mas causam a emissão de fônons (quanta vibracional).

• As imperfeições tendem a atuar como centros onde a rede se torna "irregular" cada vez mais (isso é chamado de nucleação ) devido a vibrações, choques térmicos, etc.

• Os fônons tendem a aumentar esse efeito de nucleação, de modo que o fenômeno tem "feedback positivo" e tende a piorar com o tempo.

• A adesão às especificações do fabricante ajuda a manter esse problema sob controle.