¿Qué causa unaCONDUJOponerse azul?
La iluminación, las pantallas y los dispositivos electrónicos modernos se han transformado por completo gracias a los-diodos emisores de luz (LED), que proporcionan eficiencia energética, mayor vida útil y versatilidad que las bombillas incandescentes o fluorescentes convencionales no pueden igualar. La luz azul se ha convertido en uno de los colores más comunes producidos por los LED y alimenta todo, desde faros LED hasta pantallas de teléfonos inteligentes e incluso equipos médicos. Sin embargo, ¿qué desencadena específicamente la luz azul que emite un LED? Los materiales utilizados en su fabricación, las decisiones técnicas deliberadas y la física básica del funcionamiento de los LED son la clave de la solución. Para comprender este fenómeno, primero debemos analizar el proceso de generación de luz-de los LED y luego observar los elementos particulares que hacen que su salida se incline hacia la porción azul del espectro electromagnético.
Básicamente, los LED son dispositivos semiconductores que utilizan un proceso conocido como electroluminiscencia para generar luz. Los LED producen luz cuando los electrones y los "agujeros" (portadores de carga positiva) se recombinan dentro de un material semiconductor, a diferencia de las bombillas incandescentes, que producen luz calentando un filamento-un proceso derrochador que pierde la mayor parte de la energía en forma de calor. Así es como funciona: los electrones del semiconductor "tipo n-" cargado negativamente cruzan una unión hacia el semiconductor "tipo p-" cargado positivamente cuando se proporciona una corriente eléctrica al LED. Estos electrones liberan energía en forma de fotones, o partículas de luz, cuando golpean y llenan los agujeros en el material tipo p-. La energía de la banda prohibida del semiconductor determina el tono de esta luz; cuanto mayor es la banda prohibida (el diferencial de energía entre la banda de valencia del semiconductor, que contiene huecos, y la banda de conducción, que contiene electrones), más corta es la longitud de onda de la luz que se libera. Los LED que crean luz azul necesitan semiconductores con una banda prohibida relativamente amplia porque la luz azul tiene una longitud de onda corta (450 a 495 nanómetros). El factor principal y más importante que influye en la emisión de luz azul es este atributo material.
La creación de semiconductores basados en nitruro de galio (GaN) y aleaciones relacionadas, incluido el nitruro de indio y galio (InGaN), fue el mayor avance en la tecnología LED azul, que fue reconocida con el Premio Nobel de Física de 2014. Debido a que los materiales semiconductores típicos (como el arseniuro de galio, que se utiliza para los LED rojos y verdes) tienen una banda prohibida demasiado pequeña para producir luz azul de longitud de onda corta-, los científicos tuvieron dificultades para desarrollar soluciones efectivas.LED azulesantes de la década de 1990. Por otro lado, el GaN tiene una amplia banda prohibida de aproximadamente 3,4 electronvoltios (eV), que es exactamente la energía necesaria para emitir luz ultravioleta (UV). Los ingenieros pueden reducir la banda prohibida incorporando pequeñas cantidades de indio en GaN para crear InGaN. Esto cambia la luz de salida de ultravioleta a azul al reducir la energía de la banda prohibida. Por ejemplo, la luz con una longitud de onda de aproximadamente 450 nm es emitida por un semiconductor InGaN con una banda prohibida de aproximadamente 2,7 eV, lo que lo hace ideal para una iluminación azul brillante. Debido a que InGaN se puede alear para ajustar la banda prohibida, se ha convertido en el material estándar para los LED azules. Los LED azules (y los LED blancos que dependen de ellos) no serían posibles sin los semiconductores basados en GaN-.
La estructura del pozo cuántico del LED es otro componente crucial que permite la producción de luz azul. Una capa delgada de semiconductor (generalmente InGaN) colocada entre dos capas más gruesas de otro semiconductor (generalmente el propio GaN) se llama pozo cuántico. Los electrones y los huecos dentro de la capa de InGaN están restringidos o "atrapados" de una manera que cambia sus niveles de energía porque la capa es muy delgada-normalmente sólo unos pocos nanómetros de espesor. Este confinamiento aumenta la eficiencia del LED, lo que aumenta la probabilidad de que los electrones y los huecos se recombinen y produzcan fotones. El grosor y la composición del pozo cuántico están cuidadosamente regulados para los LED azules; un pozo más estrecho o una concentración de indio mayor pueden-afinar la longitud de onda de emisión al rango azul requerido. Por ejemplo, la luz puede cambiar a 470 nm desde un pozo cuántico de InGaN de 3-nanómetros-de espesor con un 20 % de contenido de indio y a 460 nm desde un pozo de 5-nanómetros con un 15 % de indio. Los LED azules son lo suficientemente brillantes para aplicaciones prácticas, como reflectores LED de alta potencia y luces indicadoras en electrónica, gracias a la capacidad de los pozos cuánticos para disminuir la recombinación no radiativa, que es la pérdida de energía en forma de calor en lugar de luz.
La luz azul también puede ser un resultado inesperado de los LED, sobre todo los LED blancos, aunque muchos LED se fabrican específicamente para crearla. La mayoría de los LED blancos emplean una técnica de "conversión de fósforo", en la que un chip de LED azul se recubre con un material de fósforo amarillo (normalmente granate de itrio y aluminio dopado con cerio-, o YAG:Ce), ya que la luz blanca no puede ser producida directamente por un solo semiconductor (ya que requiere una mezcla de longitudes de onda en todo el espectro visible). Una parte de la luz azul del LED se absorbe y se reemite como luz amarilla cuando incide sobre el fósforo. Para la vista humana, la luz azul restante aparece como luz blanca porque se mezcla con la luz amarilla. Sin embargo, no toda la luz azul se transforma si la capa de fósforo es desigual, excesivamente delgada o de baja calidad. Esto puede producir un brillo "blanco frío" o "teñido-de azul", típico de los productos económicos.bombillas LEDo artefactos viejos con fósforo que se han deteriorado con el tiempo. Debido a que la luz azul afecta la generación de melatonina, el exceso de luz azul de los LED blancos puede ocasionalmente provocar fatiga visual o interferir con los ritmos circadianos. Esto enfatiza la importancia de un diseño apropiado de fósforo. Esta inesperada luz azul se debe a una mala integración del fósforo y no a un defecto en la funcionalidad fundamental del LED.
Aunque en primer lugar no "hacen" que el LED genere luz azul, las condiciones ambientales también pueden afectar la intensidad o la forma en que un LED parece emitir luz azul. La banda prohibida del semiconductor puede ampliarse significativamente cuando los LED se calientan (un problema común en aplicaciones de alta-potencia), desplazando la longitud de onda de emisión hacia el extremo rojo del espectro. Este es un ejemplo de cómo la temperatura afecta el rendimiento del LED. Esto podría resultar en un pequeño cambio en la longitud de onda paraLED azulesde 450 nm a 455 nm, apenas perceptible a simple vista pero cuantificable con instrumentos. Por otro lado, algunos LED de alto-rendimiento (como los que se encuentran en los proyectores) tienen sistemas de enfriamiento, ya que operarlos a temperaturas más bajas puede mejorar su eficiencia y la emisión de luz azul. La densidad actual es otra consideración. Si bien el brillo de un LED azul se puede aumentar aumentando su corriente eléctrica, una corriente excesiva puede provocar una "caída de la eficiencia" o una disminución en la salida de luz por unidad de corriente. Una corriente excesiva en situaciones extremas puede dañar la estructura del pozo cuántico, provocando un fallo total o un cambio de color permanente que incluye una mayor emisión de luz azul. Aunque estas condiciones externas pueden alterar el rendimiento de un LED con el tiempo, no alteran la capacidad intrínseca del LED para crear luz azul.
En conclusión, las tres causas principales de la emisión de luz azul de los LED son la energía de banda prohibida del material semiconductor, la aplicación de aleaciones basadas en GaN-(como InGaN) que permiten luz de longitud de onda corta-y la estructura del pozo cuántico que mejora la eficiencia y ajusta la longitud de onda de emisión. Si bien la luz azul no deseada (como en ciertos LED blancos) es el resultado de problemas relacionados con el fósforo-, los LED azules diseñados intencionalmente utilizan principios similares para proporcionar una luz azul brillante y eficiente para aplicaciones particulares. Aunque pueden tener un impacto en el rendimiento, las condiciones ambientales como la temperatura y la corriente no cambian el mecanismo fundamental de emisión de luz azul. Conocer estas razones no sólo aclara la existencia deLED azulespero también llama la atención sobre los avances de ingeniería que los permitieron, avances que aún impulsan la iluminación, las pantallas y la energía renovable. Los investigadores están investigando nuevos materiales (como el nitruro de aluminio y galio para obtener luz azul o ultravioleta más profunda) y diseños para aumentar la eficiencia deLED azulesa medida que avanza la tecnología LED. Esto podría conducir a nuevas aplicaciones en terapia médica, purificación de agua y pantallas de próxima-generación.
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