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Un diodo emisor de luz ( LED ) es un dispositivo semiconductor que emite luz cuando la corriente fluye a través de él. Los electrones del semiconductor se recombinan con los huecos de los electrones , liberando energía en forma de fotones . El color de la luz (correspondiente a la energía de los fotones) está determinado por la energía necesaria para que los electrones crucen la banda prohibida del semiconductor. [5] La luz blanca se obtiene mediante el uso de múltiples semiconductores o una capa de fósforo emisor de luz en el dispositivo semiconductor. [6]
Los primeros LED, que aparecieron como componentes electrónicos prácticos en 1962, emitían luz infrarroja (IR) de baja intensidad. [7] Los LED infrarrojos se utilizan en circuitos de control remoto , como los que se utilizan con una amplia variedad de productos electrónicos de consumo. Los primeros LED de luz visible eran de baja intensidad y se limitaban al rojo.
Los primeros LED se utilizaban a menudo como lámparas indicadoras, en sustitución de pequeñas bombillas incandescentes y en pantallas de siete segmentos . Desarrollos posteriores produjeron LED disponibles en longitudes de onda visible , ultravioleta (UV) e infrarroja con salida de luz alta, baja o intermedia, por ejemplo, LED blancos adecuados para iluminación de habitaciones y exteriores. Los LED también han dado lugar a nuevos tipos de pantallas y sensores, mientras que sus altas velocidades de conmutación son útiles en tecnología de comunicaciones avanzada con aplicaciones tan diversas como iluminación de aviación , luces de colores , tiras de luces , faros de automóviles , publicidad, iluminación general , señales de tráfico , cámaras. flashes, papel tapiz iluminado , luces de cultivo hortícolas y dispositivos médicos. [8]
Los LED tienen muchas ventajas sobre las fuentes de luz incandescentes, incluido un menor consumo de energía, una vida útil más larga, una mayor robustez física, tamaños más pequeños y una conmutación más rápida. A cambio de estos atributos generalmente favorables, las desventajas de los LED incluyen limitaciones eléctricas a bajo voltaje y generalmente a energía CC (no CA), la incapacidad de proporcionar iluminación constante desde una fuente de suministro eléctrico pulsante de CC o CA, y una temperatura máxima de funcionamiento menor. y temperatura de almacenamiento.
Los LED son transductores de electricidad en luz. Funcionan a la inversa de los fotodiodos , que convierten la luz en electricidad.
La electroluminiscencia como fenómeno fue descubierta en 1907 por el experimentador inglés HJ Round de los Laboratorios Marconi , utilizando un cristal de carburo de silicio y un detector de bigotes de gato . [9] [10] El inventor ruso Oleg Losev informó sobre la creación del primer LED en 1927. [11] Su investigación se distribuyó en revistas científicas soviéticas, alemanas y británicas, pero no se hizo ningún uso práctico del descubrimiento durante varias décadas, en parte Debido a las propiedades de producción de luz muy ineficaces del carburo de silicio, se utilizó el semiconductor Losev. [12] [13]
En 1936, Georges Destriau observó que se podía producir electroluminiscencia cuando se suspendía polvo de sulfuro de zinc (ZnS) en un aislante y se le aplicaba un campo eléctrico alterno. En sus publicaciones, Destriau a menudo se refería a la luminiscencia como Losev-Light. Destriau trabajó en los laboratorios de Madame Marie Curie , también pionera en el campo de la luminiscencia con investigaciones sobre el radio . [14] [15]
La bahía húngara de Zoltán, junto con György Szigeti , se adelantaron a la iluminación LED en Hungría en 1939 al patentar un dispositivo de iluminación basado en carburo de silicio, con opción a carburo de boro, que emitía blanco, blanco amarillento o blanco verdoso dependiendo de las impurezas presentes. [16] Kurt Lehovec , Carl Accardo y Edward Jamgochian explicaron estos primeros LED en 1951 utilizando un aparato que emplea cristales de SiC con una fuente de corriente de una batería o un generador de impulsos y con una comparación con una variante de cristal puro en 1953. [ 17] [18]
Rubin Braunstein [19] de Radio Corporation of America informó sobre la emisión infrarroja del arseniuro de galio (GaAs) y otras aleaciones semiconductoras en 1955. [20] Braunstein observó la emisión infrarroja generada por estructuras de diodos simples que utilizan antimonuro de galio (GaSb), GaAs, indio fosfuro (InP) y aleaciones de silicio-germanio (SiGe) a temperatura ambiente y a 77 kelvins . En 1957, Braunstein demostró además que los dispositivos rudimentarios podían usarse para comunicaciones sin radio a corta distancia. Como señaló Kroemer [21] Braunstein "... había establecido un enlace de comunicaciones ópticas simple: la música que salía de un tocadiscos se usaba a través de dispositivos electrónicos adecuados para modular la corriente directa de un diodo de GaAs. La luz emitida era detectada por un diodo de PbS algunos distancia. Esta señal se introdujo en un amplificador de audio y se reprodujo mediante un altavoz. Al interceptar el haz se detuvo la música. Nos divertimos mucho jugando con esta configuración". Esta configuración presagió el uso de LED para aplicaciones de comunicación óptica .
En septiembre de 1961, mientras trabajaban en Texas Instruments en Dallas , Texas , James R. Biard y Gary Pittman descubrieron una emisión de luz en el infrarrojo cercano (900 nm) de un diodo de túnel que habían construido sobre un sustrato de GaAs. [7] En octubre de 1961, habían demostrado una emisión de luz eficiente y un acoplamiento de señales entre un emisor de luz de unión pn de GaAs y un fotodetector semiconductor aislado eléctricamente. [22] El 8 de agosto de 1962, Biard y Pittman presentaron una patente titulada "Diodo radiante semiconductor" basada en sus hallazgos, que describía un LED de unión p-n con difusión de zinc con un contacto catódico espaciado para permitir una emisión eficiente de luz infrarroja. bajo polarización directa . Después de establecer la prioridad de su trabajo basándose en cuadernos de ingeniería anteriores a las presentaciones de GE Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs y Lincoln Lab en el MIT , la oficina de patentes de EE. UU. concedió a los dos inventores la patente para la luz infrarroja de GaAs. diodo emisor (patente estadounidense US3293513), el primer LED práctico. [7] Inmediatamente después de presentar la patente, Texas Instruments (TI) inició un proyecto para fabricar diodos infrarrojos. En octubre de 1962, TI anunció el primer producto LED comercial (el SNX-100), que empleaba un cristal de GaAs puro para emitir una salida de luz de 890 nm. [7] En octubre de 1963, TI anunció el primer LED hemisférico comercial, el SNX-110. [23]
En la década de 1960, varios laboratorios se centraron en LED que emitieran luz visible. Nick Holonyak demostró un dispositivo particularmente importante el 9 de octubre de 1962, mientras trabajaba para General Electric en Syracuse, Nueva York . El dispositivo utilizó la aleación semiconductora de fosfuro de galio arseniuro (GaAsP). Fue el primer láser semiconductor que emitió luz visible, aunque a bajas temperaturas. A temperatura ambiente todavía funcionaba como un diodo emisor de luz roja. GaAsP fue la base de la primera ola de LED comerciales que emitían luz visible. Fue producido en masa por las empresas Monsanto y Hewlett-Packard y utilizado ampliamente para visualizaciones en calculadoras y relojes de pulsera. [24] [25] [26]
M. George Craford , [27] un ex estudiante de posgrado de Holonyak, inventó el primer LED amarillo y mejoró el brillo de los LED rojos y rojo-naranja en un factor de diez en 1972. [28] En 1976, TP Pearsall diseñó el primer LED de alto brillo y alta eficiencia para telecomunicaciones de fibra óptica mediante la invención de nuevos materiales semiconductores adaptados específicamente a las longitudes de onda de transmisión de fibra óptica. [29]
Hasta 1968, los LED visibles e infrarrojos eran extremadamente costosos, del orden de 200 dólares por unidad, y por lo tanto tenían poco uso práctico. [30] Los primeros LED comerciales de longitud de onda visible utilizaron semiconductores GaAsP y se usaron comúnmente como reemplazos de lámparas indicadoras incandescentes y de neón , y en pantallas de siete segmentos , primero en equipos costosos, como equipos de prueba de laboratorio y electrónicos, y luego en dichos aparatos. como calculadoras, televisores, radios, teléfonos y relojes. [31]
La empresa Hewlett-Packard (HP) participó en la investigación y el desarrollo (I+D) de LED prácticos entre 1962 y 1968, por un equipo de investigación dirigido por Howard C. Borden, Gerald P. Pighini en HP Associates y HP Labs . [32] Durante este tiempo, HP colaboró con Monsanto Company en el desarrollo de los primeros productos LED utilizables. [33] Los primeros productos LED utilizables fueron la pantalla LED de HP y la lámpara indicadora LED de Monsanto , ambos lanzados en 1968. [33]
Monsanto fue la primera organización en producir en masa LED visibles, utilizando fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) en 1968 para producir LED rojos adecuados para indicadores. [30] Monsanto había ofrecido anteriormente suministrar GaAsP a HP, pero HP decidió desarrollar su propio GaAsP. [30] En febrero de 1969, Hewlett-Packard presentó el indicador numérico HP modelo 5082-7000, el primer dispositivo LED que utiliza tecnología de circuito integrado ( circuito LED integrado ). [32] Fue la primera pantalla LED inteligente y supuso una revolución en la tecnología de pantallas digitales , reemplazando el tubo Nixie y convirtiéndose en la base de las pantallas LED posteriores. [34]
En la década de 1970, Fairchild Optoelectronics produjo dispositivos LED de éxito comercial a menos de cinco centavos cada uno. Estos dispositivos empleaban chips semiconductores compuestos fabricados con el proceso planar (desarrollado por Jean Hoerni , [35] [36] ). La combinación de procesamiento plano para la fabricación de chips y métodos de embalaje innovadores permitió al equipo de Fairchild dirigido por el pionero de la optoelectrónica Thomas Brandt lograr las reducciones de costos necesarias. [37] Los productores de LED continúan utilizando estos métodos. [38]
Los primeros LED rojos eran lo suficientemente brillantes como para usarse como indicadores, ya que la salida de luz no era suficiente para iluminar un área. Las lecturas de las calculadoras eran tan pequeñas que se construyeron lentes de plástico sobre cada dígito para hacerlos legibles. Más tarde, otros colores estuvieron ampliamente disponibles y aparecieron en electrodomésticos y equipos.
Los primeros LED estaban empaquetados en cajas metálicas similares a las de los transistores, con una ventana o lente de vidrio para dejar salir la luz. Los LED indicadores modernos están empaquetados en cajas de plástico moldeado transparente, de forma tubular o rectangular y, a menudo, tintadas para que coincidan con el color del dispositivo. Los dispositivos infrarrojos pueden teñirse para bloquear la luz visible. Se han adaptado paquetes más complejos para una disipación de calor eficiente en LED de alta potencia. Los LED montados en superficie reducen aún más el tamaño del paquete. Los LED destinados a ser utilizados con cables de fibra óptica pueden estar provistos de un conector óptico.
El primer LED azul-violeta que utilizó nitruro de galio dopado con magnesio fue fabricado en la Universidad de Stanford en 1972 por Herb Maruska y Wally Rhines, estudiantes de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales. [39] [40] En ese momento Maruska estaba de licencia en los Laboratorios RCA , donde colaboró con Jacques Pankove en trabajos relacionados. En 1971, un año después de que Maruska se fuera a Stanford, sus colegas de RCA, Pankove y Ed Miller, demostraron la primera electroluminiscencia azul a partir de nitruro de galio dopado con zinc, aunque el dispositivo posterior que construyeron Pankove y Miller, el primer diodo emisor de luz de nitruro de galio real, emitió luz verde. [41] [42] En 1974, la Oficina de Patentes de EE. UU. otorgó a Maruska, Rhines y al profesor de Stanford David Stevenson una patente por su trabajo en 1972 (Patente de EE. UU. US3819974 A). Hoy en día, el dopaje con magnesio del nitruro de galio sigue siendo la base de todos los LED azules y diodos láser comerciales . A principios de la década de 1970, estos dispositivos eran demasiado tenues para su uso práctico y la investigación sobre dispositivos de nitruro de galio se ralentizó.
En agosto de 1989, Cree presentó el primer LED azul disponible comercialmente basado en el semiconductor de banda prohibida indirecta , el carburo de silicio (SiC). [43] Los LED de SiC tenían una eficiencia muy baja, no más de aproximadamente el 0,03%, pero emitían en la porción azul del espectro de luz visible. [44] [45]
A finales de la década de 1980, avances clave en el crecimiento epitaxial de GaN y el dopaje tipo p [46] marcaron el comienzo de la era moderna de los dispositivos optoelectrónicos basados en GaN . Sobre esta base, Theodore Moustakas de la Universidad de Boston patentó en 1991 un método para producir LED azules de alto brillo mediante un nuevo proceso de dos pasos. [47] En 2015, un tribunal estadounidense dictaminó que tres empresas taiwanesas habían infringido la patente anterior de Moustakas, y les ordenó pagar derechos de licencia de no menos de 13 millones de dólares. [48]
Dos años más tarde, en 1993, Shuji Nakamura , de Nichia Corporation, demostró los LED azules de alto brillo utilizando un proceso de crecimiento de nitruro de galio (GaN). [49] [50] [51] Estos LED tenían eficiencias del 10%. [52] Paralelamente, Isamu Akasaki y Hiroshi Amano de la Universidad de Nagoya estaban trabajando en el desarrollo de la importante deposición de GaN en sustratos de zafiro y la demostración del dopaje de tipo p de GaN. Este nuevo desarrollo revolucionó la iluminación LED, haciendo prácticas las fuentes de luz azul de alta potencia , lo que llevó al desarrollo de tecnologías como Blu-ray . [53] [54]
Nakamura recibió el Premio de Tecnología del Milenio en 2006 por su invento. [55] Nakamura, Hiroshi Amano e Isamu Akasaki recibieron el Premio Nobel de Física en 2014 por "la invención de diodos emisores de luz azul eficientes, que han permitido fuentes de luz blanca brillantes y que ahorran energía". [56]
En 1995, Alberto Barbieri en el Laboratorio de la Universidad de Cardiff (GB) investigó la eficiencia y confiabilidad de los LED de alto brillo y demostró un LED de "contacto transparente" utilizando óxido de indio y estaño (ITO) sobre (AlGaInP/GaAs).
En 2001 [57] y 2002, [58] se demostraron con éxito procesos para cultivar LED de nitruro de galio (GaN) en silicio . En enero de 2012, Osram demostró comercialmente LED de InGaN de alta potencia cultivados sobre sustratos de silicio, [59] y los LED de GaN sobre silicio están en producción en Plessey Semiconductors . A partir de 2017, algunos fabricantes están utilizando SiC como sustrato para la producción de LED, pero el zafiro es más común, ya que tiene propiedades más similares a las del nitruro de galio, lo que reduce la necesidad de modelar la oblea de zafiro (las obleas estampadas se conocen como epi obleas). Samsung , la Universidad de Cambridge y Toshiba están realizando investigaciones sobre GaN en LED de Si. Toshiba ha detenido la investigación, posiblemente debido a los bajos rendimientos. [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] Algunos optan por la epitaxia , lo cual es difícil en el silicio , mientras que otros, como la Universidad de Cambridge, eligen una estructura multicapa, para para reducir el desajuste de la red (cristalina) y las diferentes relaciones de expansión térmica, para evitar el agrietamiento del chip LED a altas temperaturas (por ejemplo, durante la fabricación), reducir la generación de calor y aumentar la eficiencia luminosa. El modelado del sustrato de zafiro se puede realizar con litografía de nanoimpresión . [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73]
GaN-on-Si es difícil pero deseable ya que aprovecha la infraestructura de fabricación de semiconductores existente. Permite el empaquetado a nivel de oblea de matrices LED, lo que da como resultado paquetes de LED extremadamente pequeños. [74]
El GaN a menudo se deposita mediante epitaxia metalorgánica en fase de vapor (MOCVD), [75] y también utiliza Lift-off .
Aunque se puede crear luz blanca utilizando LED rojos, verdes y azules individuales, esto da como resultado una reproducción cromática deficiente , ya que sólo se emiten tres bandas estrechas de longitudes de onda de luz. A la consecución de los LED azules de alta eficiencia le siguió rápidamente el desarrollo del primer LED blanco. En este dispositivo una Y
3Alabama
5oh
12:Ce (conocido como " YAG " o Ce:YAG fósforo) El recubrimiento de fósforo dopado con cerio produce luz amarilla a través de fluorescencia . La combinación de ese amarillo con la luz azul restante parece blanca a la vista. El uso de diferentes fósforos produce luz verde y roja a través de la fluorescencia. La mezcla resultante de rojo, verde y azul se percibe como luz blanca, con una reproducción cromática mejorada en comparación con las longitudes de onda de la combinación de fósforo LED azul/YAG. [76]
Los primeros LED blancos eran caros e ineficientes. La potencia luminosa aumentó entonces exponencialmente . Las últimas investigaciones y desarrollos han sido difundidos por fabricantes japoneses como Panasonic y Nichia , y por fabricantes coreanos y chinos como Samsung , Solstice, Kingsun, Hoyol y otros. Esta tendencia al aumento de la producción se ha denominado ley de Haitz en honor a Roland Haitz. [77] [78]
La potencia luminosa y la eficiencia de los LED azules y casi ultravioleta aumentaron y el coste de los dispositivos fiables disminuyó. Esto llevó a la aparición de LED de luz blanca de relativamente alta potencia para iluminación, que están reemplazando a la iluminación incandescente y fluorescente. [79] [80]
En 2014 se demostró que los LED blancos experimentales producen 303 lúmenes por vatio de electricidad (lm/W); algunos pueden durar hasta 100.000 horas. [81] [82] Los LED disponibles comercialmente tienen una eficiencia de hasta 223 lm/W a partir de 2018. [83] [84] [85] Nichia logró un récord anterior de 135 lm/W en 2010. [86] En comparación con las bombillas incandescentes, esto representa un enorme aumento en la eficiencia eléctrica y, aunque los LED son más caros de comprar, el costo total de vida útil es significativamente más barato que el de las bombillas incandescentes. [87]
El chip LED está encapsulado dentro de un pequeño molde de plástico blanco [88] [89] aunque a veces un paquete de LED puede incorporar un reflector. [90] Puede encapsularse usando resina ( a base de poliuretano ), silicona, [91] [92] [93] o epoxi [94] que contiene partículas de fósforo YAG dopadas con cerio (en polvo). [95] La viscosidad de las mezclas de fósforo y silicio debe controlarse cuidadosamente. [96] Después de la aplicación de una mezcla de fósforo y silicio en el LED usando técnicas como la dispensación por chorro, [97] y permitiendo que los solventes se evaporen, los LED a menudo se prueban y se colocan en cintas para equipos de colocación SMT para su uso en luz LED. producción de bulbos. Algunas bombillas LED de "fósforo remoto" utilizan una única cubierta de plástico con fósforo YAG para uno [98] o varios LED azules, en lugar de utilizar recubrimientos de fósforo en los LED blancos de un solo chip. [99] Los fósforos de Ce:YAG y el epoxi en los LED [100] pueden degradarse con el uso, y es más evidente con concentraciones más altas de Ce:YAG en mezclas de fósforo y silicona, porque el Ce:YAG se descompone con el uso. [101] [102] [103] La salida de los LED puede cambiar a amarillo con el tiempo debido a la degradación de la silicona. [104] Hay varias variantes de Ce:YAG, y los fabricantes en muchos casos no revelan la composición exacta de sus ofertas de Ce:YAG. [105] Hay varios otros fósforos disponibles para que los LED convertidos en fósforo produzcan varios colores, como el rojo, que utiliza fósforos de nitrosilicato, [106] [107] y existen muchos otros tipos de materiales de fósforo para los LED, como fósforos basados en óxidos, oxinitruros. , oxihaluros, haluros, nitruros, sulfuros, puntos cuánticos y semiconductores híbridos inorgánicos-orgánicos. Un solo LED puede tener varios fósforos al mismo tiempo. [108] [109] Algunos LED utilizan fósforos hechos de vitrocerámica o materiales compuestos de fósforo/vidrio. [110] [111] Como alternativa, los propios chips LED se pueden recubrir con una fina capa de material que contiene fósforo, llamado recubrimiento conformal. [112] [113]
La temperatura del fósforo durante el funcionamiento y la forma en que se aplica limita el tamaño de una matriz de LED. Los LED blancos empaquetados a nivel de oblea permiten LED extremadamente pequeños. [74]
En un diodo emisor de luz, la recombinación de electrones y huecos de electrones en un semiconductor produce luz (ya sea infrarroja, visible o UV), proceso llamado " electroluminiscencia ". La longitud de onda de la luz depende de la banda prohibida de energía de los semiconductores utilizados. Dado que estos materiales tienen un alto índice de refracción, se requieren características de diseño de los dispositivos, como recubrimientos ópticos especiales y forma del troquel, para emitir luz de manera eficiente. [114]
A diferencia de un láser , la luz emitida por un LED no es espectralmente coherente ni siquiera altamente monocromática . Su espectro es lo suficientemente estrecho como para que al ojo humano le parezca un color puro ( saturado ). [115] [116] Además, a diferencia de la mayoría de los láseres, su radiación no es espacialmente coherente , por lo que no puede acercarse a la intensidad muy alta característica de los láseres .
Mediante la selección de diferentes materiales semiconductores , se pueden fabricar LED de un solo color que emitan luz en una banda estrecha de longitudes de onda desde el infrarrojo cercano hasta el espectro visible y el rango ultravioleta. A medida que las longitudes de onda se acortan, debido a la banda prohibida más grande de estos semiconductores, el voltaje de funcionamiento del LED aumenta.
Los LED azules tienen una región activa que consta de uno o más pozos cuánticos de InGaN intercalados entre capas más gruesas de GaN, llamadas capas de revestimiento. Variando la fracción relativa In/Ga en los pozos cuánticos de InGaN, en teoría la emisión de luz puede variar de violeta a ámbar.
Se puede utilizar nitruro de aluminio y galio (AlGaN) de fracción variable de Al/Ga para fabricar el revestimiento y las capas de pozo cuántico para LED ultravioleta , pero estos dispositivos aún no han alcanzado el nivel de eficiencia y madurez tecnológica de los dispositivos azul/verde de InGaN/GaN. Si en este caso se utiliza GaN puro para formar las capas activas de los pozos cuánticos, el dispositivo emite luz casi ultravioleta con una longitud de onda máxima centrada alrededor de 365 nm. Los LED verdes fabricados a partir del sistema InGaN/GaN son mucho más eficientes y brillantes que los LED verdes producidos con sistemas de materiales sin nitruro, pero los dispositivos prácticos aún muestran una eficiencia demasiado baja para aplicaciones de alto brillo. [ cita necesaria ]
Con AlGaN y AlGaInN se pueden conseguir longitudes de onda aún más cortas. Los emisores de luz ultravioleta cercana a longitudes de onda de alrededor de 360 a 395 nm ya son baratos y se encuentran a menudo, por ejemplo, como sustitutos de lámparas de luz negra para la inspección de marcas de agua UV antifalsificación en documentos y billetes de banco, y para el curado UV . Se encuentran disponibles comercialmente diodos de longitud de onda más corta y sustancialmente más caros para longitudes de onda de hasta 240 nm. [117] Como la fotosensibilidad de los microorganismos coincide aproximadamente con el espectro de absorción del ADN , con un pico a aproximadamente 260 nm, se espera que los LED UV emitan a 250-270 nm en posibles dispositivos de desinfección y esterilización. Investigaciones recientes han demostrado que los LED UVA (365 nm) disponibles comercialmente ya son dispositivos eficaces de desinfección y esterilización. [118] Las longitudes de onda UV-C se obtuvieron en laboratorios utilizando nitruro de aluminio (210 nm), [119] nitruro de boro (215 nm) [120] [121] y diamante (235 nm). [122]
Hay dos formas principales de producir diodos emisores de luz blanca . Una es utilizar LED individuales que emiten tres colores primarios (rojo, verde y azul) y luego mezclar todos los colores para formar luz blanca. La otra es utilizar un material de fósforo para convertir la luz monocromática de un LED azul o UV en luz blanca de amplio espectro, similar a una lámpara fluorescente . El fósforo amarillo son cristales de YAG dopados con cerio suspendidos en el paquete o recubiertos en el LED. Este fósforo YAG hace que los LED blancos parezcan amarillos cuando están apagados, y el espacio entre los cristales permite que pase algo de luz azul en los LED con conversión parcial de fósforo. Alternativamente, los LED blancos pueden usar otros fósforos como el fluorosilicato de potasio (PFS) dopado con manganeso (IV) u otros fósforos diseñados. PFS ayuda en la generación de luz roja y se utiliza junto con el fósforo Ce:YAG convencional. En los LED con fósforo PFS, algo de luz azul pasa a través de los fósforos, el fósforo Ce:YAG convierte la luz azul en luz verde y roja (amarilla) y el fósforo PFS convierte la luz azul en luz roja. El color, el espectro de emisión o la temperatura de color de los LED convertidos en fósforo blanco y otros LED convertidos en fósforo se pueden controlar cambiando la concentración de varios fósforos que forman una mezcla de fósforo utilizada en un paquete de LED. [123] [124] [125] [126]
La "blancura" de la luz producida está diseñada para adaptarse al ojo humano. Debido al metamerismo , es posible tener espectros bastante diferentes que parezcan blancos. La apariencia de los objetos iluminados por esa luz puede variar a medida que varía el espectro. Ésta es la cuestión de la reproducción del color, bastante separada de la temperatura del color. Un objeto naranja o cian podría aparecer con el color equivocado y mucho más oscuro ya que el LED o el fósforo no emiten la longitud de onda que refleja. Los LED con mejor reproducción cromática utilizan una mezcla de fósforos, lo que da como resultado una menor eficiencia y una mejor reproducción cromática. [ cita necesaria ]
Los primeros diodos emisores de luz (LED) blancos se pusieron a la venta en el otoño de 1996. [127] Nichia fabricó algunos de los primeros LED blancos que se basaban en LED azules con fósforo Ce:YAG. [128] Ce:YAG a menudo se cultiva utilizando el método Czochralski . [129]
Mezclar fuentes rojas, verdes y azules para producir luz blanca requiere circuitos electrónicos para controlar la combinación de colores. Dado que los LED tienen patrones de emisión ligeramente diferentes, el equilibrio de color puede cambiar según el ángulo de visión, incluso si las fuentes RGB están en un solo paquete, por lo que los diodos RGB rara vez se utilizan para producir iluminación blanca. No obstante, este método tiene muchas aplicaciones debido a la flexibilidad de mezclar diferentes colores [130] y, en principio, este mecanismo también tiene una mayor eficiencia cuántica en la producción de luz blanca. [131]
Hay varios tipos de LED blancos multicolores: LED blancos di, tri y tetracromáticos . Varios factores clave que influyen entre estos diferentes métodos incluyen la estabilidad del color, la capacidad de reproducción cromática y la eficacia luminosa. A menudo, una mayor eficiencia significa una menor reproducción cromática, lo que presenta un equilibrio entre la eficacia luminosa y la reproducción cromática. Por ejemplo, los LED blancos dicromáticos tienen la mejor eficacia luminosa (120 lm/W), pero la capacidad de reproducción cromática más baja. Aunque los LED blancos tetracromáticos tienen una excelente capacidad de reproducción cromática, a menudo tienen una eficacia luminosa deficiente. Los LED blancos tricromáticos se encuentran en el medio, ya que tienen una buena eficacia luminosa (>70 lm/W) y una buena capacidad de reproducción cromática. [132]
Uno de los desafíos es el desarrollo de LED verdes más eficientes. El máximo teórico para los LED verdes es 683 lúmenes por vatio, pero en 2010 pocos LED verdes superan incluso los 100 lúmenes por vatio. Los LED azul y rojo se acercan a sus límites teóricos. [ cita necesaria ]
Los LED multicolores ofrecen un medio para formar luz de diferentes colores. Los colores más perceptibles se pueden formar mezclando diferentes cantidades de tres colores primarios. Esto permite un control dinámico preciso del color. Su poder de emisión decae exponencialmente con el aumento de la temperatura, [133] lo que resulta en un cambio sustancial en la estabilidad del color. Estos problemas inhiben el uso industrial. Los LED multicolores sin fósforo no pueden proporcionar una buena reproducción cromática porque cada LED es una fuente de banda estrecha. Los LED sin fósforo, aunque son una solución peor para la iluminación general, son la mejor solución para pantallas, ya sea con retroiluminación de LCD o con píxeles directos basados en LED.
Atenuar una fuente LED multicolor para que coincida con las características de las lámparas incandescentes es difícil porque las variaciones de fabricación, la edad y la temperatura cambian el valor de color real de salida. Para emular la apariencia de las lámparas incandescentes con atenuación puede ser necesario un sistema de retroalimentación con un sensor de color para monitorear y controlar activamente el color. [134]
Este método implica recubrir LED de un color (principalmente LED azules hechos de InGaN ) con fósforos de diferentes colores para formar luz blanca; los LED resultantes se denominan LED blancos basados en fósforo o convertidos en fósforo (pcLED). [135] Una fracción de la luz azul sufre el cambio de Stokes, que la transforma de longitudes de onda más cortas a más largas. Dependiendo del color del LED original, se utilizan fósforos de distintos colores. El uso de varias capas de fósforo de distintos colores amplía el espectro emitido, elevando efectivamente el índice de reproducción cromática (CRI). [136]
Los LED basados en fósforo tienen pérdidas de eficiencia debido a la pérdida de calor por el cambio de Stokes y también a otros problemas relacionados con el fósforo. Su eficacia luminosa en comparación con los LED normales depende de la distribución espectral de la salida de luz resultante y de la longitud de onda original del propio LED. Por ejemplo, la eficacia luminosa de un LED blanco típico YAG basado en fósforo amarillo varía de 3 a 5 veces la eficacia luminosa del LED azul original debido a la mayor sensibilidad del ojo humano al amarillo que al azul (como se modela en la función de luminosidad ). Debido a la simplicidad de fabricación, el método del fósforo sigue siendo el método más popular para fabricar LED blancos de alta intensidad. El diseño y producción de una fuente de luz o dispositivo de iluminación utilizando un emisor monocromático con conversión de fósforo es más simple y económico que un complejo sistema RGB, y la mayoría de los LED blancos de alta intensidad actualmente en el mercado se fabrican utilizando conversión de luz de fósforo. [ cita necesaria ]
Entre los desafíos que se enfrentan para mejorar la eficiencia de las fuentes de luz blanca basadas en LED se encuentra el desarrollo de fósforos más eficientes. A partir de 2010, el fósforo amarillo más eficiente sigue siendo el fósforo YAG, con menos del 10% de pérdida por cambio de Stokes. Las pérdidas atribuibles a pérdidas ópticas internas debidas a la reabsorción en el chip LED y en el propio embalaje del LED suelen representar entre un 10% y un 30% de pérdida de eficiencia. Actualmente, en el área del desarrollo de LED de fósforo, se están dedicando muchos esfuerzos a optimizar estos dispositivos para lograr una mayor salida de luz y temperaturas de funcionamiento más altas. Por ejemplo, la eficiencia se puede aumentar adaptando un mejor diseño del paquete o utilizando un tipo de fósforo más adecuado. El proceso de recubrimiento conformado se utiliza con frecuencia para abordar el problema de la variación del espesor del fósforo. [ cita necesaria ]
Algunos LED blancos a base de fósforo encapsulan LED azules de InGaN dentro de un epoxi recubierto de fósforo. Alternativamente, el LED podría combinarse con un fósforo remoto, una pieza de policarbonato preformada recubierta con el material de fósforo. Los fósforos remotos proporcionan una luz más difusa, lo cual es deseable para muchas aplicaciones. Los diseños de fósforo remoto también son más tolerantes a las variaciones en el espectro de emisiones de los LED. Un material de fósforo amarillo común es el granate de itrio y aluminio dopado con cerio (Ce 3+ :YAG). [ cita necesaria ]
Los LED blancos también se pueden fabricar recubriendo LED casi ultravioleta (NUV) con una mezcla de fósforos a base de europio de alta eficiencia que emiten rojo y azul, además de sulfuro de zinc dopado con cobre y aluminio (ZnS:Cu, Al) que emite verde. . Este es un método análogo al funcionamiento de las lámparas fluorescentes . Este método es menos eficiente que los LED azules con fósforo YAG:Ce, ya que el desplazamiento de Stokes es mayor, por lo que se convierte más energía en calor, pero produce luz con mejores características espectrales, que reproducen mejor el color. Debido a la mayor potencia radiativa de los LED ultravioleta que los azules, ambos métodos ofrecen un brillo comparable. Una preocupación es que la luz ultravioleta pueda filtrarse desde una fuente de luz que funciona mal y causar daño a los ojos o la piel humanos. [ cita necesaria ]
Se está utilizando un nuevo estilo de obleas compuestas de nitruro de galio sobre silicio (GaN-on-Si) para producir LED blancos utilizando obleas de silicio de 200 mm. Esto evita el típico y costoso sustrato de zafiro en tamaños de oblea relativamente pequeños de 100 o 150 mm. [137] El aparato de zafiro debe acoplarse con un colector similar a un espejo para reflejar la luz que de otro modo se desperdiciaría. Se predijo que desde 2020, el 40% de todos los LED de GaN estarán fabricados con GaN-on-Si. Fabricar material de zafiro de gran tamaño es difícil, mientras que el material de silicio de gran tamaño es más barato y abundante. El paso de las empresas de LED del uso de zafiro a silicio debería suponer una inversión mínima. [138]
Existen en el mercado LED RGBW que combinan unidades RGB con un LED blanco fósforo. Al hacerlo, se conserva el color extremadamente ajustable del LED RGB, pero se permite optimizar la reproducción del color y la eficiencia cuando se selecciona un color cercano al blanco. [139]
Algunas unidades LED de color blanco fósforo son "blancos sintonizables" y combinan dos temperaturas de color extremas (comúnmente 2700K y 6500K) para producir valores intermedios. Esta característica permite a los usuarios cambiar la iluminación para adaptarse al uso actual de una sala multifunción. [140] Como lo ilustra una línea recta en el diagrama de cromaticidad, las mezclas simples de dos blancos tendrán un sesgo rosado, volviéndose más severo en el medio. Una pequeña cantidad de luz verde, proporcionada por otro LED, podría corregir el problema. [141] Algunos productos son RGBWW, es decir, RGBW con blanco sintonizable. [142]
Una última clase de LED blanco con luz mixta es de atenuada a cálida. Se trata de bombillas LED blancas normales de 2700 K con un pequeño LED rojo que se enciende cuando la bombilla está atenuada. Al hacerlo, el color se vuelve más cálido, emulando una bombilla incandescente. [142]
Otro método utilizado para producir LED de luz blanca experimentales no utilizaba fósforo alguno y se basaba en seleniuro de zinc (ZnSe) cultivado homoepitaxialmente sobre un sustrato de ZnSe que emitía simultáneamente luz azul desde su región activa y luz amarilla desde el sustrato. [143]
En un diodo emisor de luz orgánico ( OLED ), el material electroluminiscente que compone la capa emisiva del diodo es un compuesto orgánico . El material orgánico es conductor de electricidad debido a la deslocalización de los electrones pi provocada por la conjugación sobre toda o parte de la molécula, por lo que el material funciona como un semiconductor orgánico . [144] Los materiales orgánicos pueden ser pequeñas moléculas orgánicas en fase cristalina o polímeros . [145]
Las ventajas potenciales de los OLED incluyen pantallas delgadas y de bajo costo con bajo voltaje de conducción, amplio ángulo de visión y alto contraste y gama de colores . [146] Los LED de polímero tienen el beneficio adicional de ser pantallas imprimibles y flexibles . [147] [148] [149] Los OLED se han utilizado para crear pantallas visuales para dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos móviles, cámaras digitales, iluminación y televisores. [145] [146]
Los diodos emisores de luz de perovskita (PeLED) se han convertido en candidatos prometedores para las tecnologías de iluminación y visualización de próxima generación. En los últimos años, los investigadores han mostrado un interés creciente en los diodos emisores de luz de perovskita (PeLED) debido a su capacidad para emitir luz con un ancho de banda estrecho , espectro ajustable , capacidad para ofrecer una alta pureza de color y fabricación de soluciones rentables. [150] [151]
En lo que respecta a la eficiencia, los PeLED no han superado a los diodos emisores de luz orgánicos ( OLED ) comerciales porque parámetros críticos específicos, como el transporte del portador de carga y la eficiencia del acoplamiento de salida óptica, no se han optimizado completamente. [151]
En respuesta a este desafío, Bai y sus colegas informaron el 29 de mayo de 2023 sobre el desarrollo de PeLED verdes ultraeficientes con una eficiencia cuántica externa (EQE) que supera el notable hito del 30 %. ajustes en el transporte de portadores de carga y la distribución de la luz de campo cercano. Estas optimizaciones redujeron efectivamente la fuga de electrones y dieron como resultado una eficiencia de acoplamiento de salida de luz excepcional del 41,82 %. Se usó una película de Ni 0,9 Mg 0,1 O x con alto índice de refracción y mayor movilidad del portador de huecos como capa de inyección de huecos para equilibrar la inyección de portadores de carga, y se insertó una capa de polietilenglicol entre la capa de transporte de huecos y la capa de emisión de perovskita para evitar la emisión de electrones. fugas y minimizar la pérdida de fotones. [151]
La estructura modificada del PeLED verde le permitió alcanzar un récord mundial de eficiencia cuántica externa del 30,84% (con una media de 29,05 ± 0,77%) con un nivel de brillo de 6.514 cd/m 2 . Este trabajo pionero presenta un enfoque convincente para construir PeLED ultraeficientes al equilibrar efectivamente la recombinación de huecos de electrones y mejorar el desacoplamiento de la luz. [151]
Sin embargo, ampliar el área efectiva de los LED de perovskita puede provocar una caída significativa en su rendimiento. Para abordar este problema, Sun et.al [152] introdujeron L-metionina (NVAL) para construir una fase intermedia con baja entalpía de formación y coordinación COO . Esta nueva fase intermedia alteró la vía de cristalización, inhibiendo efectivamente la segregación de fases. En consecuencia, se lograron películas de perovskita cuasi-2D de gran área y alta calidad. Además, perfeccionaron la dinámica compuesta de la película, lo que dio lugar a LED verdes de perovskita cuasi-2D de alta eficiencia con un área efectiva de 9,0 cm 2 . Se alcanzó una eficiencia cuántica externa (EQE) del 16,4 % en <n> = 3, lo que lo convierte en el LED de perovskita de área grande más eficiente. Además, se logró una luminancia de 9,1×104 cd/m 2 en las <n> = 10 películas. [152]
El 16 de marzo de 2023, Zhou et al. [153] publicaron un estudio que demuestra su control exitoso del comportamiento de los iones para crear diodos emisores de luz de perovskita azul cielo altamente eficientes. Lo lograron utilizando un pasivador bifuncional , que consistía en aniones de ácido benzoico de base de Lewis y cationes de metales alcalinos. Este pasivador tenía una doble función: pasivaba eficazmente el átomo de plomo deficiente e inhibía la migración de iones haluro. El resultado de este enfoque innovador fue la creación de un LED de perovskita eficiente que emitía luz a una longitud de onda estable de 483 nm. El LED exhibió una eficiencia cuántica externa (EQE) encomiable del 16,58%, con un EQE máximo que alcanzó el 18,65%. Gracias a la mejora del acoplamiento óptico, el EQE aumentó aún más hasta el 28,82%. [153]
Uno de los aspectos más cruciales de la tecnología de iluminación y visualización es la generación eficiente de emisión roja. Las perovskitas cuasi-2D han demostrado potencial para una alta eficiencia de emisiones debido al confinamiento robusto del portador. Sin embargo, las eficiencias cuánticas externas (EQE) de la mayoría de los PeLED cuasi-2D rojos no son óptimas debido a las diferentes fases de valor n dentro de películas complejas de perovskita cuasi-2D.
Para abordar este desafío, Jiang et.al [150] publicaron sus hallazgos en Advanced Materials el 20 de julio de 2022. Su investigación se centró en la incorporación estratégica de grandes cationes para mejorar la eficiencia de los LED de perovskita de luz roja. Al introducir yoduro de fenetilamonio (PEAI)/yoduro de 3-fluorofeniletilamonio (mF-PEA) y yoduro de 1-naftilmetilamonio (NMAI), lograron un control preciso sobre la distribución de fases de materiales de perovskita cuasi-2D. Este enfoque redujo efectivamente la prevalencia de fases de índice n más pequeñas y al mismo tiempo abordó los defectos de plomo y haluros en las películas de perovskita. El resultado de esta investigación fue el desarrollo de LED de perovskita capaces de alcanzar un EQE del 25,8% a 680 nm, acompañado de un brillo máximo de 1300 cd/m 2 . [150]
Se puede construir un LED de perovskita blanca de alto rendimiento con alta eficiencia de extracción de luz mediante un acoplamiento óptico de campo cercano. [154] El acoplamiento óptico de campo cercano entre el diodo de perovskita azul y el nanocristal de perovskita rojo se logró mediante un electrodo translúcido multicapa razonablemente diseñado (LiF/Al/Ag/LiF). La capa nanocristalina de perovskita roja permite extraer el modo de guía de ondas y el modo de polarización del plasmón superficial capturados en el diodo de perovskita azul y convertirlos en emisión de luz roja, lo que aumenta la eficiencia de extracción de luz en un 50 %. Al mismo tiempo, los espectros de emisión complementarios de fotones azules y fotones rojos subconvertidos contribuyen a la formación de LED blancos. Finalmente, la eficiencia cuántica fuera del dispositivo supera el 12% y el brillo supera los 2000 cd/m 2 , ambos los más altos en PeLED blancos. [154]
La preparación de películas de perovskita totalmente inorgánicas de alta calidad mediante métodos basados en soluciones sigue siendo un desafío formidable, atribuido principalmente a la cristalización rápida e incontrolable de dichos materiales. La innovación clave implicó controlar la orientación cristalina de la perovskita totalmente inorgánica a lo largo del plano (110) mediante un proceso de recocido a baja temperatura (35-40°C). Este control preciso condujo al apilamiento ordenado de cristales, lo que aumentó significativamente la cobertura de la superficie y redujo los defectos dentro del material. Después de una optimización exhaustiva, el LED de perovskita CsPbBr 3 bien orientado logró una eficiencia cuántica externa (EQE) de hasta el 16,45 %, un brillo notable de 79.932 cd/m 2 y una vida útil de 136 horas cuando se operó inicialmente con un nivel de brillo de 100 cd/ m2 . [155]
El 20 de septiembre de 2021, el equipo dirigido por Sargent et.al [156] de la Universidad de Toronto publicó los resultados de su investigación en el Journal of the American Chemical Society (JACS) sobre diodos emisores de luz (LED) brillantes y estables basados en Puntos cuánticos de perovskita dentro de una matriz de perovskita. La investigación informó que los puntos cuánticos de perovskita permanecen estables en una película delgada de perovskita en solución precursora e impulsan la cristalización uniforme de la matriz de perovskita utilizando puntos cuánticos de deformación como centros de nucleación. La alineación de banda tipo I asegura que los puntos cuánticos actúen como aceptores de carga y emisores radiativos. [156]
El nuevo material exhibe recombinación Auger de biexcitón suprimida y luminiscencia brillante incluso con alta excitación (600 W/cm 2 ). Los LED rojos basados en el nuevo material demuestran una eficiencia cuántica externa del 18% y mantienen un alto rendimiento con un brillo superior a 4700 cd/m 2 . El nuevo material extiende la vida media operativa del LED a 2400 horas con un brillo inicial de 100 cd/m 2 . [156]
Los LED se fabrican en diferentes paquetes para diferentes aplicaciones. Se pueden empaquetar una o varias uniones de LED en un dispositivo en miniatura para usarlo como indicador o lámpara piloto. Una matriz de LED puede incluir circuitos de control dentro del mismo paquete, que pueden variar desde una simple resistencia, un control de parpadeo o cambio de color, o un controlador direccionable para dispositivos RGB. Se montarán dispositivos emisores de blanco de mayor potencia en disipadores de calor y se utilizarán para iluminación. Las pantallas alfanuméricas en formato de matriz de puntos o de barras están ampliamente disponibles. Los paquetes especiales permiten la conexión de LED a fibras ópticas para enlaces de comunicación de datos de alta velocidad.
En su mayoría se trata de LED de una sola matriz que se utilizan como indicadores y vienen en varios tamaños, desde 2 mm hasta 8 mm, en paquetes de montaje en superficie y con orificio pasante . [157] Las clasificaciones de corriente típicas varían desde alrededor de 1 mA hasta más de 20 mA. Múltiples matrices LED unidas a una cinta trasera flexible forman una tira de luz LED . [ cita necesaria ]
Las formas de paquetes comunes incluyen redonda, con parte superior abovedada o plana, rectangular con parte superior plana (como se usa en pantallas de gráficos de barras) y triangular o cuadrada con parte superior plana. La encapsulación también puede ser transparente o teñida para mejorar el contraste y el ángulo de visión. Los dispositivos infrarrojos pueden tener un tinte negro para bloquear la luz visible al pasar la radiación infrarroja. [ cita necesaria ]
Los LED de salida ultraalta están diseñados para verse bajo la luz solar directa. [ cita necesaria ]
Los LED de 5 V y 12 V son LED en miniatura comunes que tienen una resistencia en serie para conexión directa a una fuente de alimentación de 5 V o 12 V. [ cita necesaria ]
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Los LED de alta potencia (HP-LED) o los LED de alto rendimiento (HO-LED) pueden funcionar con corrientes que van desde cientos de mA hasta más de un amperio, en comparación con las decenas de mA de otros LED. Algunas pueden emitir más de mil lúmenes. [158] [159] Se han logrado densidades de potencia LED de hasta 300 W/cm 2 . Dado que el sobrecalentamiento es destructivo, los HP-LED deben montarse en un disipador de calor para permitir la disipación del calor. Si no se elimina el calor de un HP-LED, el dispositivo falla en segundos. Un HP-LED a menudo puede reemplazar una bombilla incandescente en una linterna o colocarse en una matriz para formar una potente lámpara LED .
Algunos HP-LED conocidos en esta categoría son la serie Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon y Cree X-lamp. En septiembre de 2009, algunos HP-LED fabricados por Cree superan los 105 lm/W. [160]
Ejemplos de la ley de Haitz , que predice un aumento exponencial en la producción de luz y la eficacia de los LED a lo largo del tiempo, son la serie LED CREE XP-G, que alcanzó 105 lm/W en 2009 [160] y la serie Nichia 19 con una eficacia típica de 140 lm/W, lanzado en 2010. [161]
Los LED desarrollados por Seoul Semiconductor pueden funcionar con alimentación de CA sin un convertidor de CC. Para cada medio ciclo, parte del LED emite luz y otra parte se oscurece, y esto se invierte durante el siguiente medio ciclo. La eficiencia de este tipo de HP-LED suele ser de 40 lm/W. [162] Una gran cantidad de elementos LED en serie pueden funcionar directamente desde el voltaje de línea. En 2009, Seoul Semiconductor lanzó un LED de alto voltaje de CC, llamado 'Acrich MJT', capaz de funcionar con alimentación de CA con un circuito de control simple. La disipación de baja potencia de estos LED les brinda más flexibilidad que el diseño original de LED de CA. [163]
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Una tira , cinta o cinta de luz LED es una placa de circuito flexible poblada por diodos emisores de luz (LED SMD) de montaje en superficie y otros componentes que generalmente viene con un respaldo adhesivo. Tradicionalmente, las tiras de luces se habían utilizado únicamente en aplicaciones de iluminación de acento, retroiluminación, iluminación de tareas y iluminación decorativa, como la iluminación de calas .
Las tiras de luces LED se originaron a principios de la década de 2000. Desde entonces, la mayor eficacia luminosa y los SMD de mayor potencia han permitido su uso en aplicaciones como iluminación de trabajo de alto brillo, reemplazo de accesorios de iluminación fluorescente y halógena, aplicaciones de iluminación indirecta, inspección ultravioleta durante los procesos de fabricación, diseño de escenografía y vestuario, y cada vez más. plantas.
La corriente en un LED u otros diodos aumenta exponencialmente con el voltaje aplicado (consulte la ecuación del diodo de Shockley ), por lo que un pequeño cambio en el voltaje puede causar un gran cambio en la corriente. La corriente que pasa por el LED debe regularse mediante un circuito externo, como una fuente de corriente constante , para evitar daños. Dado que las fuentes de alimentación más comunes son fuentes de voltaje (casi) constante, las luminarias LED deben incluir un convertidor de potencia, o al menos una resistencia limitadora de corriente. En algunas aplicaciones, la resistencia interna de las baterías pequeñas es suficiente para mantener la corriente dentro de la clasificación del LED. [ cita necesaria ]
A diferencia de una lámpara incandescente tradicional, un LED se iluminará sólo cuando se aplique voltaje en la dirección de avance del diodo. No fluye corriente ni se emite luz si se aplica voltaje en la dirección inversa. Si el voltaje inverso excede el voltaje de ruptura , que generalmente es de unos cinco voltios, fluye una gran corriente y el LED se dañará. Si la corriente inversa está suficientemente limitada para evitar daños, el LED de conducción inversa es un diodo de ruido útil . [ cita necesaria ]
Por definición, la banda prohibida de energía de cualquier diodo es mayor cuando tiene polarización inversa que cuando tiene polarización directa. Debido a que la energía de la banda prohibida determina la longitud de onda de la luz emitida, el color no puede ser el mismo cuando tiene polarización inversa. El voltaje de ruptura inverso es lo suficientemente alto como para que la longitud de onda emitida no pueda ser lo suficientemente similar como para seguir siendo visible. Aunque existen paquetes de LED duales que contienen un LED de diferente color en cada dirección, no se espera que ningún elemento LED pueda emitir luz visible cuando tiene polarización inversa. [ cita necesaria ]
No se sabe si podría existir algún diodo zener que emita luz sólo en modo de polarización inversa. Excepcionalmente, este tipo de LED conduciría cuando se conectara al revés.
Ciertos LED azules y LED blancos fríos pueden exceder los límites de seguridad del llamado peligro de la luz azul, tal como se define en las especificaciones de seguridad ocular como "ANSI/IESNA RP-27.1–05: Práctica recomendada para la seguridad fotobiológica de lámparas y sistemas de lámparas". . [171] Un estudio no mostró evidencia de riesgo en el uso normal con iluminación doméstica, [172] y que solo se necesita precaución para situaciones ocupacionales particulares o para poblaciones específicas. [173] En 2006, la Comisión Electrotécnica Internacional publicó IEC 62471 Seguridad fotobiológica de lámparas y sistemas de lámparas , reemplazando la aplicación de las primeras normas orientadas al láser para la clasificación de fuentes LED. [174]
Si bien los LED tienen la ventaja sobre las lámparas fluorescentes de que no contienen mercurio , pueden contener otros metales peligrosos como plomo y arsénico . [175]
En 2016, la Asociación Médica Estadounidense (AMA) emitió una declaración sobre la posible influencia adversa del alumbrado público azulado en el ciclo de sueño-vigilia de los habitantes de las ciudades. Los críticos de la industria afirman que los niveles de exposición no son lo suficientemente altos como para tener un efecto notable. [176]
La fabricación de LED implica múltiples pasos, que incluyen epitaxia, procesamiento de chips, separación de chips y empaquetado. [196]
En un proceso típico de fabricación de LED, la encapsulación se realiza después de sondear, cortar en cubitos, transferir la matriz de la oblea al paquete y unir cables o montar el chip invertido, [197] quizás usando óxido de indio y estaño , un conductor eléctrico transparente. En este caso, los cables de unión están unidos a la película de ITO que se ha depositado en los LED.
El circuito de chip invertido a bordo (COB) es una técnica que se puede utilizar para fabricar LED. [198]
Los usos de los LED se dividen en cinco categorías principales:
El bajo consumo energético , el bajo mantenimiento y el pequeño tamaño de los LED ha llevado a su uso como indicadores y visualizadores de estado en una variedad de equipos e instalaciones. Las pantallas LED de gran superficie se utilizan como pantallas en estadios, pantallas decorativas dinámicas y señales de mensajes dinámicos en las autopistas. Los displays de mensajes finos y ligeros se utilizan en aeropuertos y estaciones de ferrocarril, así como como displays de destino para trenes, autobuses, tranvías y ferries.
La luz de un color es ideal para semáforos y señales, señales de salida , iluminación de vehículos de emergencia , luces de navegación de barcos y luces navideñas basadas en LED.
Debido a su larga vida útil, tiempos de conmutación rápidos y visibilidad a plena luz del día debido a su alto rendimiento y enfoque, los LED se han utilizado en luces de freno y señales de giro de automóviles. El uso de los frenos mejora la seguridad, debido a una gran reducción en el tiempo necesario para encenderse completamente, o un tiempo de subida más rápido, alrededor de 0,1 segundos más rápido [ cita necesaria ] que una bombilla incandescente. Esto da a los conductores detrás más tiempo para reaccionar. En un circuito de doble intensidad (marcadores traseros y frenos), si los LED no se pulsan a una frecuencia lo suficientemente rápida, pueden crear una matriz fantasma , donde aparecen imágenes fantasma de los LED si los ojos escanean rápidamente la matriz. Empiezan a aparecer faros LED blancos. El uso de LED tiene ventajas de estilo porque los LED pueden formar luces mucho más delgadas que las lámparas incandescentes con reflectores parabólicos .
Debido al relativo bajo precio de los LED de bajo rendimiento, también se utilizan en muchos usos temporales, como barras luminosas y mantas desechables. Los artistas también han utilizado LED para el arte LED .
Con el desarrollo de LED de alta eficiencia y alta potencia, ha sido posible utilizar LED en iluminación e iluminación. Para fomentar el cambio a lámparas LED y otras luces de alta eficiencia, en 2008 el Departamento de Energía de EE. UU. creó el concurso L Prize . La bombilla LED de Philips Lighting North America ganó la primera competencia el 3 de agosto de 2011, después de completar con éxito 18 meses de pruebas intensivas de campo, laboratorio y productos. [205]
Se necesita una iluminación eficiente para una arquitectura sostenible . A partir de 2011, algunas bombillas LED proporcionan hasta 150 lm/W e incluso los modelos económicos de gama baja suelen superar los 50 lm/W, de modo que una LED de 6 vatios podría lograr los mismos resultados que una bombilla incandescente estándar de 40 vatios. La menor producción de calor de los LED también reduce la demanda de sistemas de aire acondicionado . En todo el mundo, los LED se adoptan rápidamente para desplazar fuentes menos efectivas, como las lámparas incandescentes y las CFL , y reducir el consumo de energía eléctrica y sus emisiones asociadas. Los LED que funcionan con energía solar se utilizan como alumbrado público y en iluminación arquitectónica .
La robustez mecánica y la larga vida útil se utilizan en la iluminación de automóviles, motocicletas y luces de bicicletas . Las farolas LED se emplean en postes y estacionamientos. En 2007, el pueblo italiano de Torraca fue el primer lugar en convertir su alumbrado público a LED. [206]
Iluminación de la cabina encendida recientemente [ ¿cuándo? ] Los aviones Airbus y Boeing utilizan iluminación LED. Los LED también se utilizan en la iluminación de aeropuertos y helipuertos. Las luminarias LED para aeropuertos actualmente incluyen luces de pista de intensidad media, luces de línea central de pista, luces de línea central y de borde de calle de rodaje, señales de guía e iluminación de obstrucción.
Los LED también se utilizan como fuente de luz para proyectores DLP y para retroiluminar televisores LCD más nuevos (denominados televisores LED ), monitores de computadora (incluida una computadora portátil ) y dispositivos LCD de mano, reemplazando a los antiguos LCD con retroiluminación CCFL , aunque siendo reemplazados por pantallas OLED . Los LED RGB aumentan la gama de colores hasta en un 45%. Las pantallas de televisores y ordenadores se pueden hacer más delgadas utilizando LED como retroiluminación. [207]
Los LED son pequeños, duraderos y necesitan poca energía, por lo que se utilizan en dispositivos portátiles como linternas . Las luces estroboscópicas LED o los flashes de las cámaras funcionan a un voltaje bajo y seguro, en lugar de los más de 250 voltios que se encuentran comúnmente en la iluminación basada en lámparas de flash de xenón . Esto es especialmente útil en cámaras de teléfonos móviles , donde el espacio es escaso y los circuitos voluminosos que aumentan el voltaje no son deseables.
Los LED se utilizan para iluminación infrarroja en usos de visión nocturna, incluidas las cámaras de seguridad . Un anillo de LED alrededor de una cámara de vídeo , apuntado hacia un fondo retrorreflectante , permite la manipulación cromática en producciones de vídeo .
Los LED se utilizan en operaciones mineras , como lámparas de casco para proporcionar luz a los mineros. Se han realizado investigaciones para mejorar los LED para la minería, reducir el deslumbramiento y aumentar la iluminación, reduciendo el riesgo de lesiones a los mineros. [208]
Los LED encuentran cada vez más usos en aplicaciones médicas y educativas, por ejemplo para mejorar el estado de ánimo. [209] La NASA incluso ha patrocinado investigaciones para el uso de LED para promover la salud de los astronautas. [210]
La luz se puede utilizar para transmitir datos y señales analógicas. Por ejemplo, la iluminación LED blanca se puede utilizar en sistemas que ayudan a las personas a navegar en espacios cerrados mientras buscan habitaciones u objetos necesarios. [211]
Los dispositivos de asistencia auditiva en muchos cines y espacios similares utilizan conjuntos de LED infrarrojos para enviar sonido a los receptores de los oyentes. Los diodos emisores de luz (así como los láseres semiconductores) se utilizan para enviar datos a través de muchos tipos de cables de fibra óptica , desde audio digital a través de cables TOSLINK hasta enlaces de fibra de muy alto ancho de banda que forman la columna vertebral de Internet. Durante algún tiempo, las computadoras estaban comúnmente equipadas con interfaces IrDA , que les permitían enviar y recibir datos a máquinas cercanas a través de infrarrojos.
Debido a que los LED pueden encenderse y apagarse millones de veces por segundo, se puede lograr un ancho de banda de datos muy alto. [212] Por esa razón, la comunicación por luz visible (VLC) se ha propuesto como una alternativa al ancho de banda de radio cada vez más competitivo. [213] VLC opera en la parte visible del espectro electromagnético, por lo que los datos pueden transmitirse sin ocupar las frecuencias de las comunicaciones por radio.
Los sistemas de visión artificial a menudo requieren una iluminación brillante y homogénea, por lo que las características de interés son más fáciles de procesar. A menudo se utilizan LED.
Los lectores de códigos de barras son el ejemplo más común de aplicaciones de visión artificial y muchos de esos escáneres utilizan LED rojos en lugar de láseres. Los ratones ópticos para computadora utilizan LED como fuente de luz para la cámara en miniatura dentro del mouse.
Los LED son útiles para la visión artificial porque proporcionan una fuente de luz compacta y confiable. Las lámparas LED se pueden encender y apagar para satisfacer las necesidades del sistema de visión, y la forma del haz producido se puede adaptar para que coincida con los requisitos del sistema.
El descubrimiento de la recombinación radiativa en aleaciones de nitruro de aluminio y galio (AlGaN) por parte del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) condujo a la conceptualización de diodos emisores de luz (LED) UV que se incorporarán en sensores de fluorescencia inducida por luz utilizados para la detección de agentes biológicos. [214] [215] [216] En 2004, el Centro Biológico Químico Edgewood (ECBC) inició el esfuerzo para crear un detector biológico llamado TAC-BIO. El programa aprovechó fuentes ópticas UV semiconductoras (SUVOS) desarrolladas por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) . [216]
La fluorescencia inducida por UV es una de las técnicas más sólidas utilizadas para la detección rápida en tiempo real de aerosoles biológicos. [216] Los primeros sensores UV fueron láseres que carecían de practicidad de uso en el campo. Para abordar esto, DARPA incorporó la tecnología SUVOS para crear un dispositivo pequeño, liviano y de bajo consumo. El tiempo de respuesta del detector TAC-BIO fue de un minuto desde que detectó un agente biológico. También se demostró que el detector podía funcionar sin supervisión en interiores y exteriores durante semanas seguidas. [216]
Las partículas biológicas en aerosol emiten fluorescencia y dispersan la luz bajo un haz de luz ultravioleta. La fluorescencia observada depende de la longitud de onda aplicada y de los fluoróforos bioquímicos dentro del agente biológico. La fluorescencia inducida por UV ofrece una forma rápida, precisa, eficiente y logísticamente práctica para la detección de agentes biológicos. Esto se debe a que el uso de fluorescencia UV no requiere reactivos o es un proceso que no requiere una sustancia química agregada para producir una reacción, no contiene consumibles ni produce subproductos químicos. [216]
Además, TAC-BIO puede discriminar de manera confiable entre aerosoles amenazantes y no amenazantes. Se afirmó que era lo suficientemente sensible como para detectar concentraciones bajas, pero no tan sensible como para causar falsos positivos. El algoritmo de conteo de partículas utilizado en el dispositivo convirtió los datos sin procesar en información contando los pulsos de fotones por unidad de tiempo de los detectores de fluorescencia y dispersión, y comparando el valor con un umbral establecido. [217]
El TAC-BIO original se introdujo en 2010, mientras que el TAC-BIO GEN II de segunda generación se diseñó en 2015 para ser más rentable, ya que se utilizaban piezas de plástico. Su diseño pequeño y liviano permite montarlo en vehículos, robots y vehículos aéreos no tripulados. El dispositivo de segunda generación también podría utilizarse como detector ambiental para monitorear la calidad del aire en hospitales, aviones o incluso en hogares para detectar hongos y moho. [218] [219]
La luz de los LED se puede modular muy rápidamente, por lo que se utilizan ampliamente en comunicaciones de fibra óptica y óptica de espacio libre . Esto incluye controles remotos , como los de los televisores, donde a menudo se utilizan LED infrarrojos. Los optoaisladores utilizan un LED combinado con un fotodiodo o fototransistor para proporcionar una ruta de señal con aislamiento eléctrico entre dos circuitos. Esto es especialmente útil en equipos médicos donde las señales de un circuito sensor de bajo voltaje (generalmente alimentado por batería) en contacto con un organismo vivo deben aislarse eléctricamente de cualquier posible falla eléctrica en un dispositivo de registro o monitoreo que opera a voltajes potencialmente peligrosos. Un optoaislador también permite transferir información entre circuitos que no comparten un potencial de tierra común.
Muchos sistemas de sensores dependen de la luz como fuente de señal. Los LED suelen ser ideales como fuente de luz debido a los requisitos de los sensores. La barra de sensores de la Nintendo Wii utiliza LED infrarrojos. Los oxímetros de pulso los utilizan para medir la saturación de oxígeno . Algunos escáneres de superficie plana utilizan conjuntos de LED RGB en lugar de la típica lámpara fluorescente de cátodo frío como fuente de luz. Tener control independiente de tres colores iluminados permite que el escáner se calibre para lograr un equilibrio de color más preciso y no hay necesidad de calentamiento. Además, sus sensores sólo necesitan ser monocromáticos, ya que en cualquier momento la página que se escanea solo está iluminada por un color de luz.
Dado que los LED también se pueden utilizar como fotodiodos, se pueden utilizar tanto para fotoemisión como para detección. Esto podría usarse, por ejemplo, en una pantalla táctil que registre la luz reflejada de un dedo o un lápiz . [220] Muchos materiales y sistemas biológicos son sensibles a la luz o dependen de ella. Las luces de cultivo utilizan LED para aumentar la fotosíntesis en las plantas , [221] y las bacterias y los virus se pueden eliminar del agua y otras sustancias utilizando LED UV para la esterilización . [118] Los LED de ciertas longitudes de onda también se han utilizado para el tratamiento con fototerapia de la ictericia y el acné neonatal . [222]
Los LED UV, con un rango de espectro de 220 nm a 395 nm, tienen otras aplicaciones, como purificación de agua / aire , desinfección de superficies, curado de pegamento, comunicación en espacio libre sin línea de visión , cromatografía líquida de alto rendimiento, tinte de curado UV impresión, fototerapia ( vitamina D de 295 nm , lámpara excimer de 308 nm o reemplazo de láser), instrumentación médica/analítica y absorción de ADN. [215] [223]
Los LED también se han utilizado como referencia de voltaje de calidad media en circuitos electrónicos. La caída de tensión directa (aproximadamente 1,7 V para un LED rojo o 1,2 V para un infrarrojo) se puede utilizar en lugar de un diodo Zener en reguladores de bajo voltaje. Los LED rojos tienen la curva I/V más plana por encima de la rodilla. Los LED basados en nitruro tienen una curva I/V bastante pronunciada y son inútiles para este propósito. Aunque el voltaje directo del LED depende mucho más de la corriente que un diodo Zener, los diodos Zener con voltajes de ruptura inferiores a 3 V no están ampliamente disponibles.
La progresiva miniaturización de la tecnología de iluminación de bajo voltaje, como LED y OLED, adecuadas para incorporarse a materiales de bajo espesor, ha fomentado la experimentación en la combinación de fuentes de luz y superficies de revestimiento de paredes interiores en forma de papel tapiz LED .
Los LED requieren una eficiencia optimizada para depender de mejoras continuas, como materiales de fósforo y puntos cuánticos . [224]
El proceso de conversión descendente (el método mediante el cual los materiales convierten fotones más energéticos en colores diferentes y menos energéticos) también necesita mejoras. Por ejemplo, los fósforos rojos que se utilizan hoy en día son térmicamente sensibles y necesitan mejorarse en ese aspecto para que no cambien de color y experimenten una caída de eficiencia con la temperatura. Los fósforos rojos también podrían beneficiarse de un ancho espectral más estrecho para emitir más lúmenes y volverse más eficientes en la conversión de fotones. [225]
Además, aún queda trabajo por hacer en los ámbitos de la caída de la eficiencia actual, el cambio de color, la confiabilidad del sistema, la distribución de la luz, la atenuación, la gestión térmica y el rendimiento del suministro de energía. [224]
Las primeras sospechas fueron que la caída de los LED se debía a temperaturas elevadas. Los científicos demostraron que la temperatura no era la causa fundamental de la caída de la eficiencia. [226] El mecanismo que causa la caída de la eficiencia se identificó en 2007 como recombinación Auger , que se tomó con una reacción mixta. [188] Un estudio de 2013 identificó de manera concluyente la recombinación Auger como la causa. [227]
Una nueva familia de LED se basa en semiconductores llamados perovskitas . En 2018, menos de cuatro años después de su descubrimiento, la capacidad de los LED de perovskita (PLED) para producir luz a partir de electrones ya rivalizaba con la de los OLED de mejor rendimiento . [228] Tienen potencial de rentabilidad, ya que pueden procesarse a partir de una solución, un método de bajo costo y baja tecnología, que podría permitir fabricar dispositivos basados en perovskita que tienen grandes áreas a un costo extremadamente bajo. Su eficiencia es superior al eliminar las pérdidas no radiativas, es decir, eliminación de vías de recombinación que no producen fotones; o resolviendo el problema de desacoplamiento (prevalente en los LED de película delgada) o equilibrando la inyección del portador de carga para aumentar la EQE (eficiencia cuántica externa). Los dispositivos PLED más actualizados han superado la barrera del rendimiento al disparar el EQE por encima del 20%. [229]
En 2018, Cao et al. y Lin et al. publicó de forma independiente dos artículos sobre el desarrollo de LED de perovskita con EQE superior al 20%, lo que convirtió a estos dos artículos en un hito en el desarrollo de PLED. Su dispositivo tiene una estructura plana similar, es decir, la capa activa (perovskita) está intercalada entre dos electrodos. Para lograr un EQE alto, no solo redujeron la recombinación no radiativa, sino que también utilizaron sus propios métodos, sutilmente diferentes, para mejorar el EQE. [229]
En el trabajo de Cao et al. , [230] los investigadores se centraron en el problema del desacoplamiento, que es que la física óptica de los LED de película delgada hace que la mayor parte de la luz generada por el semiconductor quede atrapada en el dispositivo. [231] Para lograr este objetivo, demostraron que las perovskitas procesadas en solución pueden formar espontáneamente plaquetas de cristal de escala submicrométrica, que pueden extraer luz de manera eficiente del dispositivo. Estas perovskitas se forman mediante la introducción de aditivos de aminoácidos en las soluciones precursoras de perovskita . Además, su método es capaz de pasivar los defectos de la superficie de la perovskita y reducir la recombinación no radiativa. Por lo tanto, al mejorar el desacoplamiento de la luz y reducir las pérdidas no radiativas, Cao y sus colegas lograron PLED con EQE de hasta un 20,7 %. [230]
Lin y su colega utilizaron un enfoque diferente para generar un EQE alto. En lugar de modificar la microestructura de la capa de perovskita, optaron por adoptar una nueva estrategia para gestionar la distribución de la composición en el dispositivo, un enfoque que proporciona simultáneamente una alta luminiscencia y una inyección de carga equilibrada. En otras palabras, todavía utilizaron una capa emisiva plana, pero intentaron optimizar el equilibrio de electrones y huecos inyectados en la perovskita, para hacer el uso más eficiente de los portadores de carga. Además, en la capa de perovskita, los cristales están perfectamente encerrados por el aditivo MABr (donde MA es CH 3 NH 3 ). La capa de MABr pasiva los defectos no radiativos que de otro modo estarían presentes en los cristales de perovskita, lo que resulta en una reducción de la recombinación no radiativa. Por lo tanto, al equilibrar la inyección de carga y disminuir las pérdidas no radiativas, Lin y sus colegas desarrollaron PLED con EQE hasta un 20,3%. [232]
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