Los diodos emisores de luz (LED) producen luz (o radiación infrarroja) mediante la recombinación de electrones y huecos de electrones en un semiconductor, un proceso llamado " electroluminiscencia ". La longitud de onda de la luz producida depende de la banda prohibida de energía de los semiconductores utilizados. Dado que estos materiales tienen un alto índice de refracción , [nota 1] se requieren características de diseño de los dispositivos, como recubrimientos ópticos especiales y forma de matriz, para emitir luz de manera eficiente. Un LED es una fuente de luz de larga duración, pero ciertos mecanismos pueden provocar una pérdida lenta de eficiencia del dispositivo o un fallo repentino. La longitud de onda de la luz emitida es función de la banda prohibida del material semiconductor utilizado; Se utilizan materiales como el arseniuro de galio y otros, con diversos elementos traza de dopaje, para producir diferentes colores de luz. Otro tipo de LED utiliza un punto cuántico cuyas propiedades y longitud de onda pueden ajustarse según su tamaño. Los diodos emisores de luz se utilizan ampliamente en funciones de indicación y visualización, y los LED blancos están desplazando a otras tecnologías para fines de iluminación general.
La unión p-n en cualquier material de banda prohibida directa emite luz cuando la corriente eléctrica fluye a través de ella. Esto es electroluminiscencia . Los electrones cruzan desde la región n y se recombinan con los huecos existentes en la región p. Los electrones libres se encuentran en la banda de conducción de los niveles de energía, mientras que los huecos se encuentran en la banda de energía de valencia . Por tanto, el nivel de energía de los huecos es menor que el nivel de energía de los electrones. Es necesario disipar una parte de la energía para recombinar los electrones y los huecos. Esta energía se emite en forma de calor y luz.
Como materiales de banda prohibida indirecta, los electrones disipan energía en forma de calor dentro de los diodos de silicio cristalino y germanio, pero en los semiconductores de fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) y fosfuro de galio (GaP), los electrones disipan energía emitiendo fotones . Si el semiconductor es translúcido, la unión se convierte en la fuente de luz, convirtiéndose así en un diodo emisor de luz.
La longitud de onda de la luz emitida y, por tanto, su color, depende de la energía de la banda prohibida de los materiales que forman la unión pn . En los diodos de silicio o germanio , los electrones y los huecos suelen recombinarse mediante una transición no radiativa , que no produce emisión óptica, porque se trata de materiales de banda prohibida indirecta . Los materiales utilizados para el LED tienen una banda prohibida directa con energías correspondientes a la luz infrarroja cercana, visible o ultravioleta cercana.
El desarrollo del LED comenzó con dispositivos infrarrojos y rojos fabricados con arseniuro de galio . Los avances en la ciencia de los materiales han permitido fabricar dispositivos con longitudes de onda cada vez más cortas, que emiten luz en una variedad de colores.
Los LED suelen construirse sobre un sustrato de tipo n , con un electrodo adherido a la capa de tipo p depositada en su superficie. Los sustratos de tipo P , aunque son menos comunes, también ocurren. Muchos LED comerciales, especialmente GaN/InGaN, también utilizan sustratos de zafiro .
Los semiconductores desnudos y sin recubrimiento, como el silicio, presentan un índice de refracción muy alto en relación con el aire. Los fotones que se acercan a la superficie en un ángulo demasiado grande con respecto a la perpendicular experimentan una reflexión interna total . Esta propiedad afecta tanto a la eficiencia de emisión de luz de los LED como a la eficiencia de absorción de luz de las células fotovoltaicas . El índice de refracción del silicio es 3,96 (a 590 nm), [2] mientras que el índice de refracción del aire es 1,0002926. [3]
En general, un chip semiconductor LED sin recubrimiento de superficie plana emite solo luz que llega casi perpendicular a la superficie del semiconductor, en forma de cono denominado cono de luz , cono de luz , [4] o cono de escape . [1] Los fotones que llegan a la superficie de manera más oblicua, con un ángulo de incidencia que excede el ángulo crítico , sufren una reflexión interna total y regresan al interior del cristal semiconductor como si su superficie fuera un espejo . [1]
Los reflejos internos pueden escapar a través de otras caras cristalinas si el ángulo de incidencia es lo suficientemente bajo y el cristal es lo suficientemente transparente como para no reabsorber la emisión de fotones. Pero para un LED cuadrado simple con superficies en ángulo de 90 grados en todos los lados, todas las caras actúan como espejos de ángulos iguales. En este caso, la mayor parte de la luz no puede escapar y se pierde como calor residual en el cristal. [1]
Una superficie de chip contorneada con facetas anguladas similares a una joya o una lente de Fresnel puede aumentar la salida de luz al distribuir la luz perpendicular a la superficie del chip y hacia los lados del punto de emisión de fotones. [5]
La forma ideal de un semiconductor con máxima salida de luz sería una microesfera con la emisión de fotones en el centro exacto, con electrodos que penetran hasta el centro para hacer contacto en el punto de emisión. Todos los rayos de luz que emanan del centro serían perpendiculares a toda la superficie de la esfera, lo que no produciría reflejos internos. Un semiconductor hemisférico también funcionaría, con la superficie posterior plana sirviendo como espejo para los fotones retrodispersados. [6]
Después del dopaje de la oblea , normalmente se corta en matrices individuales . Cada dado se llama comúnmente chip.
Muchos chips semiconductores LED están encapsulados o encapsulados en plástico sólido moldeado transparente o coloreado. La encapsulación plástica tiene tres propósitos:
La tercera característica ayuda a aumentar la emisión de luz del semiconductor al reducir los reflejos de Fresnel de los fotones dentro del cono de luz. Un recubrimiento plano no aumenta directamente el tamaño del cono de luz en el semiconductor; proporciona un ángulo de cono intermedio más amplio en el recubrimiento, pero el ángulo crítico entre los rayos en el semiconductor y en el aire más allá del recubrimiento no cambia. Sin embargo, con un recubrimiento curvo o encapsulación se puede aumentar aún más la eficiencia.
Los LED indicadores típicos están diseñados para funcionar con no más de 30 a 60 milivatios (mW) de energía eléctrica. Alrededor de 1999, Philips Lumileds introdujo LED de potencia capaces de uso continuo con un vatio . Estos LED utilizaban tamaños de matriz semiconductores mucho más grandes para manejar las grandes entradas de energía. Además, las matrices semiconductoras se montaron sobre barras metálicas para permitir una mayor disipación de calor de la matriz LED.
Una de las principales ventajas de las fuentes de iluminación basadas en LED es su alta eficacia luminosa . Los LED blancos rápidamente igualaron y superaron la eficacia de los sistemas de iluminación incandescentes estándar. En 2002, Lumileds lanzó LED de cinco vatios con una eficacia luminosa de 18 a 22 lúmenes por vatio (lm/W). A modo de comparación, una bombilla incandescente convencional de 60 a 100 vatios emite alrededor de 15 lm/W, y las luces fluorescentes estándar emiten hasta 100 lm/W.
En 2012 [actualizar], Philips había logrado las siguientes eficacias para cada color. [8] Los valores de eficiencia muestran la física: potencia de luz por entrada de energía eléctrica. El valor de eficacia de lúmenes por vatio incluye características del ojo humano y se deriva utilizando la función de luminosidad .
En septiembre de 2003, Cree demostró un nuevo tipo de LED azul . Esto produjo una luz blanca envasada comercialmente que daba 65 lm/W a 20 mA, convirtiéndose en el LED blanco más brillante disponible comercialmente en ese momento y más de cuatro veces más eficiente que las incandescentes estándar. En 2006, demostraron un prototipo con una eficacia luminosa récord de LED blanco de 131 lm/W a 20 mA. Nichia Corporation ha desarrollado un LED blanco con una eficacia luminosa de 150 lm/W con una corriente directa de 20 mA. [9] Los LED XLamp XM-L de Cree, disponibles comercialmente en 2011, producen 100 lm/W a su potencia máxima de 10 W, y hasta 160 lm/W con una potencia de entrada de aproximadamente 2 W. En 2012, Cree anunció un LED blanco que daba 254 lm/W, [10] y 303 lm/W en marzo de 2014. [11] La iluminación general práctica necesita LED de alta potencia, de un vatio o más. Las corrientes de funcionamiento típicas para este tipo de dispositivos comienzan en 350 mA.
Estas eficiencias son sólo para el diodo emisor de luz, mantenido a baja temperatura en un laboratorio. Dado que los LED instalados en luminarias reales funcionan a temperaturas más altas y con pérdidas de controlador, las eficiencias en el mundo real son mucho menores. Las pruebas del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) de lámparas LED comerciales diseñadas para reemplazar las lámparas incandescentes o CFL mostraron que la eficacia promedio todavía era de aproximadamente 46 lm/W en 2009 (el rendimiento probado osciló entre 17 lm/W y 79 lm/W). [12]
La caída de eficiencia es la disminución de la eficacia luminosa de los LED a medida que aumenta la corriente eléctrica .
Inicialmente se pensó que este efecto estaba relacionado con las temperaturas elevadas. Los científicos demostraron lo contrario: aunque la vida útil de un LED se acorta, la caída de eficiencia es menos grave a temperaturas elevadas. [13] El mecanismo que causa la caída de la eficiencia se identificó en 2007 como recombinación Auger . [14] [15]
Además de ser menos eficiente, el funcionamiento de los LED con corrientes eléctricas más altas genera más calor, lo que puede comprometer la vida útil del LED. Los LED de alto brillo suelen funcionar a 350 mA, lo que supone un compromiso entre salida de luz, eficiencia y longevidad. [14]
En lugar de aumentar los niveles actuales, la luminancia generalmente se aumenta combinando varios LED en una bombilla. Resolver el problema de la caída de la eficiencia significaría que las bombillas LED domésticas necesitarían menos LED, lo que reduciría significativamente los costos.
Los investigadores del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. han encontrado una manera de reducir la caída de la eficiencia. Descubrieron que la caída surge de la recombinación Auger no radiativa de los portadores inyectados. Crearon pozos cuánticos con un potencial de confinamiento suave para disminuir los procesos Auger no radiativos. [dieciséis]
Investigadores de la Universidad Central Nacional de Taiwán y Epistar Corp están desarrollando una forma de reducir la caída de la eficiencia mediante el uso de sustratos cerámicos de nitruro de aluminio (AlN), que son más conductores térmicamente que el zafiro utilizado comercialmente. La mayor conductividad térmica reduce los efectos de autocalentamiento. [17]
Los dispositivos de estado sólido, como los LED, están sujetos a un desgaste muy limitado si se utilizan con corrientes bajas y temperaturas bajas. La vida útil típica citada es de 25 000 a 100 000 horas, pero los ajustes de calor y corriente pueden extender o acortar este tiempo significativamente. [18] Es importante señalar que estas proyecciones se basan en una prueba estándar que puede no acelerar todos los mecanismos potenciales que pueden inducir fallas en los LED. [19]
El síntoma más común de falla del LED es la disminución gradual de la salida de luz. También pueden ocurrir fallas repentinas, aunque raras. Los primeros LED rojos destacaban por su corta vida útil. Con el desarrollo de LED de alta potencia, los dispositivos están sujetos a temperaturas de unión más altas y densidades de corriente más altas que los dispositivos tradicionales. Esto provoca tensión en el material y puede provocar una degradación temprana de la salida de luz. La vida útil de un LED puede expresarse como el tiempo de funcionamiento hasta el 70% o el 50% de la salida inicial. [20]
A diferencia de las lámparas de combustión o incandescentes, las LED sólo funcionan si se mantienen lo suficientemente frías. El fabricante suele especificar una temperatura máxima de unión de 125 o 150 °C, y se recomiendan temperaturas más bajas en aras de una larga vida útil. A estas temperaturas se pierde relativamente poco calor por radiación, lo que significa que el haz de luz generado por un LED es frío.
El calor residual de un LED de alta potencia se conduce a través del dispositivo hasta un disipador de calor , que lo disipa al aire circundante. Dado que la temperatura máxima de funcionamiento del LED es limitada, se deben calcular las resistencias térmicas del paquete, el disipador de calor y la interfaz. Los LED de potencia media suelen estar diseñados para soldarse directamente a una placa de circuito impreso que contiene una capa metálica térmicamente conductora. Los LED de alta potencia están empaquetados en paquetes cerámicos de gran superficie que se fijan a un disipador de calor de metal mediante grasa térmica u otro material para conducir el calor.
Si una lámpara LED no tiene libre circulación de aire, es probable que se sobrecaliente, lo que provocará una reducción de su vida útil o una falla prematura. El diseño térmico del sistema debe tener en cuenta la temperatura ambiente que rodea la lámpara; una lámpara en un congelador experimenta una temperatura ambiente más baja que una lámpara en un cartel publicitario en un clima soleado. [21]
Los LED están hechos de una variedad de materiales semiconductores inorgánicos . La siguiente tabla muestra los colores disponibles con rango de longitud de onda, caída de voltaje y material:
Los puntos cuánticos (QD) son nanocristales semiconductores con propiedades ópticas que permiten sintonizar el color de su emisión desde el espectro visible al infrarrojo. [30] [31] Esto permite que los LED de puntos cuánticos creen casi cualquier color en el diagrama CIE . Esto proporciona más opciones de color y una mejor reproducción cromática que los LED blancos, ya que el espectro de emisión es mucho más estrecho, característico de los estados cuánticos confinados.
Hay dos tipos de esquemas para la excitación QD. Uno utiliza fotoexcitación con una fuente de luz primaria LED (normalmente se utilizan LED azules o UV). La otra es la excitación eléctrica directa demostrada por primera vez por Alivisatos et al. [32]
Un ejemplo del esquema de fotoexcitación es un método desarrollado por Michael Bowers, de la Universidad Vanderbilt en Nashville, que consiste en recubrir un LED azul con puntos cuánticos que brillan en blanco en respuesta a la luz azul del LED. Este método emite una luz cálida, de color blanco amarillento, similar a la que emiten las bombillas incandescentes . [33] También se está considerando el uso de puntos cuánticos en diodos emisores de luz blanca en televisores con pantalla de cristal líquido (LCD). [34]
En febrero de 2011, los científicos de PlasmaChem GmbH lograron sintetizar puntos cuánticos para aplicaciones LED y construir sobre su base un convertidor de luz que fue capaz de convertir eficientemente la luz del azul a cualquier otro color durante cientos de horas. [35] Estos QD se pueden utilizar para emitir luz visible o infrarroja cercana de cualquier longitud de onda excitada por luz con una longitud de onda más corta.
La estructura de los QD-LED utilizados para el esquema de excitación eléctrica es similar al diseño básico de los OLED . Una capa de puntos cuánticos se intercala entre capas de materiales transportadores de electrones y de huecos. Un campo eléctrico aplicado hace que los electrones y los huecos se muevan hacia la capa de puntos cuánticos y se recombinen formando un excitón que excita un QD. Este esquema se estudia comúnmente para la visualización de puntos cuánticos . La capacidad de sintonización de las longitudes de onda de emisión y el ancho de banda estrecho también son beneficiosas como fuentes de excitación para imágenes de fluorescencia. Se ha demostrado la microscopía óptica de barrido de campo cercano ( NSOM ) de fluorescencia que utiliza un QD-LED integrado. [36]
En febrero de 2008, se logró una eficacia luminosa de 300 lúmenes de luz visible por vatio de radiación (no por vatio eléctrico) y emisión de luz cálida mediante el uso de nanocristales . [37]
Las estructuras facetadas son de interés para células solares, LED, dispositivos termofotovoltaicos y detectores porque las superficies y facetas no planas pueden mejorar el acoplamiento óptico y los efectos de captura de luz [con ejemplo de microfotografía de un sustrato de cristal facetado].
