¿Cómo funciona un LED?
A pesar de usarse en muchos aspectos de la vida moderna, como iluminar nuestros hogares, alimentar las pantallas de los teléfonos inteligentes y dirigir el tráfico, los diodos emisores de luz (LED)- se diferencian de las tecnologías de iluminación más convencionales, como las bombillas incandescentes o fluorescentes, debido a su sofisticada física semiconductora.LEDUtiliza un proceso conocido como electroluminiscencia, que es la emisión de fotones (partículas de luz) cuando una corriente eléctrica fluye a través de un material semiconductor especialmente fabricado. Esto contrasta con las incandescentes, que producen luz calentando un filamento, o las fluorescentes, que utilizan gas y radiación ultravioleta. Primero debemos examinar los fundamentos de los semiconductores, el diseño de un LED y el procedimiento secuencial que convierte la electricidad en luz visible para comprender cómo ocurre esto.
La base: bandas de energía y semiconductores
Cada LED funciona con un semiconductor, una sustancia que conduce la electricidad peor que los conductores (como el cobre) pero mejor que los aislantes (como el vidrio). Las bandas de energía de los electrones-áreas de energía que los electrones pueden ocupar-son esenciales para el comportamiento distintivo de un semiconductor. Los electrones tienen distintos niveles de energía en todos los materiales, pero en los sólidos, estos niveles se combinan para formar dos bandas principales: la banda de conducción y la banda de valencia.
Los átomos del material se mantienen unidos en una estructura cristalina gracias a los electrones de la banda de valencia, que están firmemente unidos a los átomos. La conductividad eléctrica es posible gracias a los electrones de la banda de conducción, que pueden fluir libremente a través de la sustancia. La banda prohibida, un rango de energía que los electrones no pueden habitar, existe entre estas dos bandas. El tamaño de la banda prohibida de un material determina si es un aislante, conductor o semiconductor: los semiconductores tienen una banda prohibida pequeña y medible (los electrones pueden cruzar la banda prohibida con una pequeña entrada de energía, como una corriente eléctrica), los conductores no tienen banda prohibida (los electrones se mueven libremente entre bandas) y los aisladores tienen bandas prohibidas muy grandes (lo que dificulta que los electrones salten a la banda de conducción).
El semiconductor utilizado en los LED está "dopado", que es un procedimiento que modifica las características eléctricas del material añadiendo trazas de impurezas. Tanto los semiconductores de tipo n- como los de tipo p- se producen mediante dopaje. Cuando elementos con electrones adicionales, como el fósforo, se dopan en semiconductores de tipo N-, quedan libres para moverse en la banda de conducción y le dan al material una carga negativa neta. Los elementos con menos electrones, como el boro, se utilizan para dopar semiconductores de tipo P-. Esto da como resultado "agujeros", o electrones faltantes en la banda de valencia, que funcionan como cargas positivas y pueden atravesar el material a medida que los electrones los llenan. Un LED funciona debido a la unión p-n, que es la intersección de estas dos regiones dopadas.
La estructura del LED: desde la salida de luz hasta la unión P-N
El diseño sencillo pero preciso de un LED maximiza la salida de luz y reduce la pérdida de energía. Su unión p-n está ubicada en una fina capa de material semiconductor, típicamente a base de galio-, como arseniuro de galio o nitruro de galio. El sustrato, un material de base que proporciona soporte y ayuda a la disipación del calor, es donde se une esta capa semiconductora. Esto es importante ya que el sobrecalentamiento puede acortar la vida útil de un LED.
Un electrodo está unido a la región de tipo p- (el ánodo, un terminal positivo) y el otro a la región de tipo n- (el cátodo, un terminal negativo) en la parte superior de la capa semiconductora. Se produce un campo eléctrico a través de la unión p-n cuando se suministra un voltaje a través de estos electrodos (el cátodo es negativo y el ánodo es positivo). Los electrones libres del semiconductor tipo n-son empujados hacia la unión por este campo, mientras que los huecos del semiconductor tipo p-son atraídos en la misma dirección.
Para que la luz generada en la unión p-n escape, la capa semiconductora debe ser transparente o semi-transparente (o tener una capa reflectante en un lado). ModernoLEDemplean materiales como el nitruro de galio (GaN), que son transparentes a la luz visible y garantizan que la mayoría de los fotones lleguen a la superficie, a diferencia de los primeros LED, que frecuentemente utilizaban materiales semiconductores opacos que limitaban la salida de luz. La unión p-n del semiconductor es donde tiene lugar el proceso primario de generación de luz-, aunque algunos LED también tienen una lente o revestimiento para enfocar la luz o cambiar su color.
Paso 1: uso de tensión y recombinación de huecos de electrones-
Un voltaje externo aplicado a los electrodos del LED inicia el proceso de emisión de luz al establecer una polarización directa, que es la dirección adecuada del flujo de corriente para elCONDUJOfuncionar; La polarización inversa, por otro lado, detiene la corriente y no produce luz. Los electrones libres del área de tipo n-se aceleran hacia la región de tipo p-, y los huecos de la región de tipo p-se aceleran hacia la región de tipo n-por el campo eléctrico a través de la unión p-n cuando se aplica polarización directa.
Estos electrones y huecos finalmente se juntan en la unión p-n o cerca de ella a medida que viajan en la misma dirección. Un electrón libre de la banda de conducción del área de tipo n- "cae" en el agujero cuando choca con un agujero de la banda de valencia de la región de tipo p-, cambiando de un estado de mayor energía en la banda de conducción a un nivel de energía más bajo en la banda de valencia. El electrón y el hueco se anulan mutuamente durante esta transición, que se conoce como recombinación, y la energía extra que pierden se emite en forma de fotón.
El tamaño de la banda prohibida del semiconductor afecta directamente a la energía de este fotón, lo que da color a la luz. Un fotón con una energía más alta (y una longitud de onda más corta, como la luz azul o violeta) se crea cuando un electrón se recombina con un agujero y pierde más energía debido a una banda prohibida más amplia. Un fotón con una longitud de onda más larga, como la luz roja o naranja, y menos energía se produce mediante una banda prohibida más pequeña.
Por ejemplo:
Debido a su estrecha banda prohibida, el arseniuro de galio (GaAs) emite luz roja con una longitud de onda de aproximadamente 650 nm. Debido a su banda prohibida más amplia, el nitruro de galio (GaN) emite luz azul o violeta con una longitud de onda de aproximadamente 450 nm.
Los fabricantes pueden modificar la banda prohibida para producir LED que generen luz verde, amarilla o incluso blanca combinando varios materiales semiconductores (como el nitruro de galio indio o InGaN) (más información sobre los LED blancos a continuación).
Paso 2: Eficiencia y Extracción de Luz
Algunos de los fotones generados por la recombinación son absorbidos por el propio material semiconductor, mientras que otros se reflejan en los electrodos o en la unión p-n y se liberan en forma de calor. No todos estos fotones abandonan elCONDUJOcomo luz visible. Los diseñadores de LED emplean una serie de estrategias para mejorar la "extracción de luz" con el fin de optimizar la eficiencia:
Sustratos que son transparentes: la mayor parte de la luz quedaba atrapada por los sustratos opacos (como el germanio) utilizados en los primeros LED. En los LED modernos se utilizan sustratos transparentes, como el carburo de silicio o el zafiro, para permitir que los fotones lleguen a la superficie.
Superficies texturizadas: para disminuir la cantidad de luz reflejada en el material, la superficie del semiconductor frecuentemente se graba con patrones diminutos, como protuberancias o ranuras. Al alterar el ángulo en el que la luz incide en la superficie, aumenta la probabilidad de que escape en lugar de rebotar.
Capas reflectantes: la parte posterior del semiconductor está cubierta con una fina capa reflectante, a menudo compuesta de metal como aluminio o plata. Esta capa aumenta la cantidad de luz que sale del LED al reflejar fotones que de otro modo se perderían a través del sustrato hacia el frente del LED.
Aunque mucho menos que con las luces incandescentes, todavía se pierde algo de energía en forma de calor a pesar de estos avances. En los LED, sólo entre el 10 y el 25 % de la energía se pierde en forma de calor, y entre el 75 y el 90 % de la energía se transforma en luz, en comparación con el 90-95 % en las incandescentes. Debido a su excelente eficiencia, los LED consumen mucha menos energía que las luces convencionales.
Cómo funcionan los LED blancos: una situación única
La mayoría de los LED solo emiten un color, o luz monocromática, pero los LED blancos, que se utilizan en faros, televisores e iluminación del hogar, necesitan una estrategia diferente porque no existe un material semiconductor con una banda prohibida que cree directamente luz blanca. Más bien, los LED blancos emplean una de dos técnicas principales:
Conversión de fósforo: un azulCONDUJO(hecho de nitruro de galio) cubierto con fósforo amarillo-una sustancia que absorbe luz de una longitud de onda y emite luz de otra-se utiliza en la técnica más popular. El fósforo absorbe algunos de los fotones azules emitidos por el LED azul y re-emite fotones amarillos. Nuestros ojos interpretan los fotones azules sobrantes como luz blanca una vez que se combinan con los fotones amarillos. Los fabricantes añaden trazas de fósforos rojos o verdes al revestimiento para cambiar la temperatura del color, o "calidez" o "frialdad", de la luz blanca. Por ejemplo, agregar luz azul adicional produce luz blanca fría (5000 K-6500 K), mientras que agregar fósforo rojo produce luz blanca cálida (2700 K-3000 K).
Mezcla RGB: esta técnica menos popular combina tres LED diferentes-rojo, verde y azul-en un solo paquete. Los tres colores se combinan para crear luz blanca (o cualquier otro tono del espectro visible) variando el brillo de cada LED. Aunque esta técnica es más costosa que la conversión de fósforo, se emplea en situaciones que requieren una gestión exacta del color, como iluminación de escenarios o pantallas-de alta gama.
Las distinciones entre LED e iluminación convencional
Saber cómo funcionan los LED hace que sea más fácil ver por qué funcionan mejor que las bombillas fluorescentes e incandescentes en casi todas las categorías:
Eficiencia energética: los LED utilizan electroluminiscencia, que es naturalmente eficiente; A diferencia de las incandescentes, que gastan energía calentando un filamento, las fluorescentes no desperdician energía produciendo radiación ultravioleta.
Larga vida útil: los LED no se queman fácilmente porque no tienen partes móviles ni filamentos delicados. A diferencia de las incandescentes, que tienen una vida útil de 1.000 a 2.000 horas, los LED tienen una vida útil de 50.000 a 100.000 horas debido a la degradación extremadamente gradual del material semiconductor con el tiempo.
Encendido/apagado instantáneo: a diferencia de los fluorescentes, que requieren unos segundos para iluminarse por completo, los LED no tienen tiempo de calentamiento-y se activan al máximo brillo al instante.
Durabilidad: PorqueLEDSon componentes electrónicos-de estado sólido, pueden soportar golpes, vibraciones y altas temperaturas, lo que los hace perfectos para aplicaciones en exteriores o entornos hostiles (como automóviles o fábricas).
El futuro de la tecnología LED
Los nuevos desarrollos están aumentando el potencial de la tecnología LED a medida que los investigadores e ingenieros continúan mejorándola. Por ejemplo:
QLED, o LED de puntos cuánticos: mejoran el brillo y la precisión del color mediante el uso de puntos cuánticos, que son pequeñas partículas semiconductoras. Los investigadores están tratando de hacer que los QLED sean más eficientes energéticamente-para la iluminación general y actualmente se encuentran en televisores-de alta gama.
Micro LED: estos LED increíblemente pequeños, que tienen solo unos pocos micrómetros de ancho, se pueden agrupar en matrices densas para producir iluminación flexible o pantallas de alta-resolución. Se prevé que los futuros teléfonos inteligentes y televisores utilicen micro LED en lugar de OLED debido a su mayor vida útil y mejor rendimiento.
LED de perovskita: en comparación con los materiales convencionales a base de galio-, la perovskita es un nuevo tipo de material semiconductor cuya producción es menos costosa. Los investigadores están tratando de aumentar la estabilidad de los LED de perovskita para uso comercial, ya que han demostrado ser prometedores en la entrega de luz brillante y eficiente.
En conclusión
LEDson dispositivos muy sencillos hechos de un semiconductor dopado con una unión ap-n que utiliza la recombinación de huecos de electrones- para transformar la energía eléctrica en luz. Se encuentran entre las tecnologías de iluminación más efectivas y adaptables jamás desarrolladas, pero su simplicidad oculta la complejidad de su construcción, que incluye todo, desde la ingeniería de extracción de luz hasta la regulación exacta de la banda prohibida. Saber cómo funcionan los LED nos permite comprender tanto la ciencia sofisticada que los sustenta como sus ventajas útiles (vida útil más larga, costos de energía más baratos). A medida que la tecnología LED se desarrolle aún más, probablemente contribuirá aún más a reducir el uso global de energía, detener el cambio climático e influir en el diseño de iluminación en el futuro-lo que demuestra que a veces los avances más significativos provienen de los principios científicos más fundamentales.
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