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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 en el semiconductor se recombinan con los huecos de electrones , liberando energía en forma de fotones . El color de la luz (que corresponde a la energía de los fotones) está determinado por la energía requerida para que los electrones crucen la banda prohibida del semiconductor. [5] La luz blanca se obtiene utilizando 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 las pequeñas bombillas incandescentes , y en pantallas de siete segmentos . Los desarrollos posteriores produjeron LED disponibles en longitudes de onda visibles , ultravioleta (UV) e infrarrojas con salida de luz alta, baja o intermedia, por ejemplo, LED blancos adecuados para iluminación de interiores y exteriores. Los LED también han dado lugar a nuevos tipos de pantallas y sensores, mientras que sus altas tasas de conmutación son útiles en la tecnología de comunicaciones avanzada con aplicaciones tan diversas como la iluminación de aviación , luces de colores , luces de tira , faros de automóviles , publicidad, iluminación general , señales de tráfico , flashes de cámaras, papel tapiz iluminado , luces de cultivo hortícolas y dispositivos médicos. [8]
Los LED tienen muchas ventajas sobre las fuentes de luz incandescentes, entre ellas, 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, en general, a la alimentación de CC (no de CA), la incapacidad de proporcionar una iluminación constante a partir de una fuente de alimentación eléctrica de CC o CA pulsante y una temperatura máxima de funcionamiento y de almacenamiento más baja.
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 H. J. 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 de 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 ineficientes del carburo de silicio, el semiconductor utilizado por Losev. [12] [13]
En 1936, Georges Destriau observó que se podía producir electroluminiscencia cuando se suspendía polvo de sulfuro de cinc (ZnS) en un aislante y se le aplicaba un campo eléctrico alterno. En sus publicaciones, Destriau solía referirse a la luminiscencia como luz de Losev. Destriau trabajó en los laboratorios de Madame Marie Curie , también una de las pioneras en el campo de la luminiscencia con investigaciones sobre el radio . [14] [15]
En 1939, el húngaro Zoltán Bay patentó junto con György Szigeti un dispositivo de iluminación en Hungría basado en carburo de silicio, con una opción de carburo de boro, que emitía luz blanca, blanca amarillenta o blanca verdosa dependiendo de las impurezas presentes. [16] Kurt Lehovec , Carl Accardo y Edward Jamgochian explicaron estos primeros LED en 1951 utilizando un aparato que empleaba cristales de SiC con una fuente de corriente de una batería o un generador de pulsos y con una comparación con una variante, pura, de cristal en 1953. [17] [18]
Rubin Braunstein [19] de la Radio Corporation of America informó sobre la emisión infrarroja del arseniuro de galio (GaAs) y otras aleaciones de semiconductores en 1955. [20] Braunstein observó la emisión infrarroja generada por estructuras de diodos simples que usaban antimoniuro de galio (GaSb), GaAs, fosfuro de indio (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 no radiales a corta distancia. Como señaló Kroemer [21], Braunstein “… había establecido un enlace de comunicaciones ópticas simple: la música que salía de un tocadiscos se utilizaba mediante una electrónica adecuada para modular la corriente directa de un diodo GaAs. La luz emitida era detectada por un diodo PbS a cierta distancia. Esta señal se introducía en un amplificador de audio y se reproducía mediante un altavoz. Al interceptar el haz se detenía la música. Nos divertimos mucho jugando con esta configuración”.
En septiembre de 1961, mientras trabajaban en Texas Instruments en Dallas , Texas , James R. Biard y Gary Pittman descubrieron la emisión de luz infrarroja cercana (900 nm) de un diodo túnel que habían construido sobre un sustrato de GaAs. [7] Para octubre de 1961, habían demostrado una emisión de luz eficiente y un acoplamiento de señal 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 difundido con zinc con un contacto de cátodo espaciado para permitir la 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. emitió a los dos inventores la patente para el diodo emisor de luz infrarroja de GaAs (patente estadounidense US3293513), el primer LED práctico. [7] Inmediatamente después de presentar la patente, Texas Instruments (TI) comenzó 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 los LED que emitirían luz visible. Un dispositivo particularmente importante fue demostrado por Nick Holonyak el 9 de octubre de 1962, mientras trabajaba para General Electric en Syracuse, Nueva York . El dispositivo utilizaba la aleación semiconductora arseniuro de fosfuro de galio (GaAsP). Fue el primer láser semiconductor que emitía luz visible, aunque a bajas temperaturas. A temperatura ambiente todavía funcionaba como un diodo emisor de luz roja. El 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 se utilizó ampliamente para pantallas 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-naranjas por un factor de diez en 1972. [28] En 1976, TP Pearsall diseñó los primeros LED de alto brillo y alta eficiencia para telecomunicaciones por fibra óptica inventando nuevos materiales semiconductores específicamente adaptados 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 usaban semiconductores GaAsP y se usaban 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 electrónica, luego en electrodomésticos como calculadoras, televisores, radios, teléfonos y relojes. [31]
La empresa Hewlett-Packard (HP) se dedicó a la investigación y 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 previamente suministrar GaAsP a HP, pero HP decidió cultivar su propio GaAsP. [30] En febrero de 1969, Hewlett-Packard presentó el indicador numérico HP modelo 5082-7000, el primer dispositivo LED en utilizar tecnología de circuito integrado ( circuito LED integrado ). [32] Fue la primera pantalla LED inteligente y supuso una revolución en la tecnología de pantallas digitales , sustituyendo al tubo Nixie y convirtiéndose en la base de las pantallas LED posteriores. [34]
En la década de 1970, Fairchild Optoelectronics produjo dispositivos LED que tuvieron 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 del procesamiento planar para la fabricación de chips y métodos de empaquetado innovadores permitieron al equipo de Fairchild dirigido por el pionero de la optoelectrónica Thomas Brandt lograr las reducciones de costos necesarias. [37] Los productores de LED han seguido utilizando estos métodos aproximadamente desde 2009. [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 construían lentes de plástico sobre cada dígito para que fueran legibles. Más tarde, otros colores se hicieron ampliamente disponibles y aparecieron en electrodomésticos y equipos.
Los primeros LED se envasaban en cajas de metal similares a las de los transistores, con una ventana o lente de vidrio para dejar salir la luz. Los LED indicadores modernos se envasan 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 encapsulados más complejos para una disipación de calor eficiente en LED de alta potencia. Los LED montados en superficie reducen aún más el tamaño del encapsulado. Los LED destinados a usarse con cables de fibra óptica pueden estar provistos de un conector óptico.
El primer LED azul -violeta que utiliza 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 un trabajo relacionado. En 1971, el año después de que Maruska se fuera a Stanford, sus colegas de la 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 los Estados Unidos otorgó a Maruska, Rhines y al profesor de Stanford David Stevenson una patente por su trabajo en 1972 (patente estadounidense US3819974 A). Hoy en día, el dopaje de 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 introdujo el primer LED azul disponible comercialmente basado en el semiconductor de banda prohibida indirecta , carburo de silicio (SiC). [43] Los LED de SiC tenían una eficiencia muy baja, no más de un 0,03 %, pero emitían en la porción azul del espectro de luz visible. [44] [45]
A finales de los años 1980, los avances clave en el crecimiento epitaxial de GaN y el dopaje de 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 un método para producir LED azules de alto brillo utilizando un nuevo proceso de dos pasos en 1991. [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 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 e Hiroshi Amano de la Universidad de Nagoya estaban trabajando en el desarrollo de la importante deposición de GaN sobre 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 de 2006 por su invención. [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 de ahorro energético". [56]
En 1995, Alberto Barbieri del 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" usando óxido de indio y estaño (ITO) sobre (AlGaInP/GaAs).
En 2001 [57] y 2002, [58] se demostraron con éxito procesos para el crecimiento de LED de nitruro de galio (GaN) sobre 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 las 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 obleas epi). Samsung , la Universidad de Cambridge y Toshiba están realizando investigaciones sobre LED de GaN sobre Si.
Toshiba ha detenido la investigación, posiblemente debido a los bajos rendimientos. [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] Algunos optan por la epitaxia , que es difícil en el silicio , mientras que otros, como la Universidad de Cambridge, eligen una estructura multicapa, para reducir el desajuste de la red (cristalina) y 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]
El GaN sobre Si es difícil pero deseable, ya que aprovecha la infraestructura de fabricación de semiconductores existente. Permite el empaquetado a nivel de oblea de chips LED, lo que da como resultado paquetes LED extremadamente pequeños. [74]
El GaN se deposita a menudo mediante epitaxia en fase de vapor metalorgánico (MOCVD), [75] y también utiliza despegue .
Aunque se puede crear luz blanca utilizando LED individuales rojos, verdes y azules, esto da como resultado una reproducción de color deficiente , ya que solo se emiten tres bandas estrechas de longitudes de onda de luz. La consecución de LED azules de alta eficiencia fue seguida rápidamente por el desarrollo del primer LED blanco. En este dispositivo se utilizó un LED Y
3Alabama
5Oh
12El recubrimiento de fósforo dopado con cerio de :Ce (conocido como " YAG " o fósforo Ce:YAG) produce luz amarilla a través de la fluorescencia . La combinación de ese amarillo con la luz azul restante parece blanca para el ojo. 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 LED azul/fósforo YAG. [76]
Los primeros LED blancos eran caros e ineficientes. La emisión de luz aumentó exponencialmente . Las últimas investigaciones y desarrollos han sido propagados por fabricantes japoneses como Panasonic y Nichia , y por fabricantes coreanos y chinos como Samsung , Solstice, Kingsun, Hoyol y otros. Esta tendencia en el aumento de la emisión se ha denominado ley de Haitz en honor a Roland Haitz. [77] [78]
La salida de luz y la eficiencia de los LED azules y casi ultravioleta aumentaron y el costo de los dispositivos confiables disminuyó. Esto llevó a los LED de luz blanca de potencia relativamente alta para iluminación, que están reemplazando 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] Un récord anterior de 135 lm/W lo logró Nichia en 2010. [86] En comparación con las bombillas incandescentes, este es un gran 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 LED puede incorporar un reflector. [90] Puede encapsularse utilizando resina ( a base de poliuretano ), silicona, [91] [92] [93] o epoxi [94] que contenga partículas de fósforo YAG dopado con cerio (en polvo). [95] La viscosidad de las mezclas de fósforo y silicio debe controlarse cuidadosamente. [95] Después de la aplicación de una mezcla de fósforo y silicio en el LED utilizando técnicas como la dispensación por chorro, [96] y permitiendo que los solventes se evaporen, los LED a menudo se prueban y se colocan en cintas para el equipo de colocación SMT para su uso en la producción de bombillas LED. Algunas bombillas LED de "fósforo remoto" utilizan una sola cubierta de plástico con fósforo YAG para uno [97] o varios LED azules, en lugar de utilizar recubrimientos de fósforo en LED blancos de un solo chip. [98] Los fósforos Ce:YAG y el epoxi en los LED [99] pueden degradarse con el uso, y esto 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. [100] [101] [102]
La salida de los LED puede cambiar a amarilla con el tiempo debido a la degradación del silicio. [92] Hay varias variantes de Ce:YAG, y los fabricantes en muchos casos no revelan la composición exacta de sus ofertas de Ce:YAG. [103] Hay varios otros fósforos disponibles para LED convertidos con fósforo para producir varios colores como el rojo, que utiliza fósforos de nitrosilicato, [104] [105] y existen muchos otros tipos de materiales de fósforo para 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. [96] [106] Algunos LED utilizan fósforos hechos de materiales vitrocerámicos o de fósforo/vidrio compuestos. [107] [108] Como alternativa, los propios chips LED pueden recubrirse con una fina capa de material que contenga fósforo, denominada revestimiento conforme. [109] [110]
La temperatura del fósforo durante su funcionamiento y la forma en que se aplica limitan el tamaño de un chip LED. Los LED blancos encapsulados a nivel de oblea permiten obtener LED extremadamente pequeños. [74]
En 2024, QPixel presentó un LED policromático que podría reemplazar el modelo de 3 subpíxeles para las pantallas digitales. La tecnología utiliza un semiconductor de nitruro de galio que emite luz de diferentes frecuencias moduladas por cambios de voltaje. Un prototipo de pantalla logró una resolución de 6800 PPP o 3k x 1,5k píxeles. [111]
En un diodo emisor de luz, la recombinación de electrones y huecos de electrones en un semiconductor produce luz (ya sea infrarroja, visible o ultravioleta), un proceso llamado " electroluminiscencia ". La longitud de onda de la luz depende de la banda de energía prohibida 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 de matriz, para emitir luz de manera eficiente. [112]
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 aparezca al ojo humano como un color puro ( saturado ). [113] [114] Además, a diferencia de la mayoría de los láseres, su radiación no es coherente espacialmente , por lo que no puede acercarse a la característica de intensidad muy alta de los láseres .
Mediante la selección de diferentes materiales semiconductores , se pueden fabricar LED de un solo color que emiten luz en una banda estrecha de longitudes de onda que van desde el infrarrojo cercano hasta el espectro visible y el ultravioleta. A medida que las longitudes de onda se acortan, debido a la mayor brecha de banda de estos semiconductores, aumenta el voltaje de funcionamiento del LED.
Los LED azules tienen una región activa que consiste en uno o más pozos cuánticos de InGaN intercalados entre capas más gruesas de GaN, llamadas capas de revestimiento. Al variar la fracción relativa de In/Ga en los pozos cuánticos de InGaN, la emisión de luz puede, en teoría, variar de violeta a ámbar.
El nitruro de aluminio y galio (AlGaN) con diferentes fracciones de Al/Ga se puede utilizar para fabricar las capas de revestimiento y de pozo cuántico para LED ultravioleta , pero estos dispositivos aún no han alcanzado el nivel de eficiencia y madurez tecnológica de los dispositivos azules/verdes InGaN/GaN. Si se utiliza GaN sin alear en este caso para formar las capas de pozo cuántico activo, el dispositivo emite luz cercana al 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 requerida ]
Con AlGaN y AlGaInN, se pueden lograr longitudes de onda incluso más cortas. Los emisores de UV cercano en longitudes de onda alrededor de 360-395 nm ya son baratos y se encuentran a menudo, por ejemplo, como reemplazos de lámparas de luz negra para la inspección de marcas de agua UV anti -falsificación en documentos y billetes de banco, y para el curado UV . Diodos sustancialmente más caros, de longitud de onda más corta, están disponibles comercialmente para longitudes de onda de hasta 240 nm. [115] Como la fotosensibilidad de los microorganismos coincide aproximadamente con el espectro de absorción del ADN , con un pico a aproximadamente 260 nm, se esperan LED UV que emitan a 250-270 nm en futuros dispositivos de desinfección y esterilización. Investigaciones recientes han demostrado que los LED UVA disponibles comercialmente (365 nm) ya son dispositivos de desinfección y esterilización efectivos. [116] Las longitudes de onda UV-C se obtuvieron en laboratorios utilizando nitruro de aluminio (210 nm), [117] nitruro de boro (215 nm) [118] [119] y diamante (235 nm). [120]
Existen 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 YAG dopados con cerio suspendidos en el encapsulado o recubiertos sobre 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 utilizar otros fósforos como el fluorosilicato de potasio dopado con manganeso (IV) (PFS) u otros fósforos diseñados. El PFS ayuda a la generación de luz roja y se utiliza junto con el fósforo Ce:YAG convencional.
En los LED con fósforo PFS, parte de la 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 con fósforo blanco y otros LED convertidos con fósforo se pueden controlar modificando la concentración de varios fósforos que forman una mezcla de fósforos utilizada en un paquete de LED. [121] [122] [123] [124]
La "blancura" de la luz producida está diseñada para adaptarse al ojo humano. Debido al metamerismo , es posible tener espectros muy diferentes que parezcan blancos. La apariencia de los objetos iluminados por esa luz puede variar a medida que varía el espectro. Este es el problema de la reproducción del color, que es completamente independiente de la temperatura del color. Un objeto naranja o cian podría aparecer con el color incorrecto y mucho más oscuro, ya que el LED o el fósforo no emiten la longitud de onda que reflejan. Los LED con mejor reproducción del color utilizan una mezcla de fósforos, lo que da como resultado una menor eficiencia y una mejor reproducción del color. [ cita requerida ]
Los primeros diodos emisores de luz (LED) blancos se ofrecieron a la venta en el otoño de 1996. [125] Nichia fabricó algunos de los primeros LED blancos que se basaban en LED azules con fósforo Ce:YAG. [126] El Ce:YAG se cultiva a menudo utilizando el método Czochralski . [127]
Para mezclar fuentes de luz roja, verde y azul y producir luz blanca se necesitan circuitos electrónicos que controlen la mezcla de colores. Como los LED tienen patrones de emisión ligeramente diferentes, el balance de color puede cambiar según el ángulo de visión, incluso si las fuentes RGB están en un solo paquete, por lo que rara vez se utilizan diodos RGB para producir luz blanca. No obstante, este método tiene muchas aplicaciones debido a la flexibilidad de mezclar diferentes colores [128] y, en principio, este mecanismo también tiene una mayor eficiencia cuántica para producir luz blanca [129] .
Existen varios tipos de LED blancos multicolores: LED blancos dicromáticos, tricromáticos y tetracromáticos . Entre estos diferentes métodos, se encuentran varios factores clave, como la estabilidad del color, la capacidad de reproducción cromática y la eficacia luminosa. A menudo, una mayor eficiencia implica una reproducción cromática menor, lo que supone 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 menor capacidad de reproducción cromática. 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 un punto intermedio, ya que tienen una buena eficacia luminosa (>70 lm/W) y una capacidad de reproducción cromática aceptable. [130]
Uno de los retos es el desarrollo de LED verdes más eficientes. El máximo teórico para los LED verdes es de 683 lúmenes por vatio, pero a fecha de 2010 pocos LED verdes superan los 100 lúmenes por vatio. Los LED azules y rojos se acercan a sus límites teóricos. [ cita requerida ]
Los LED multicolores ofrecen un medio para formar luz de diferentes colores. La mayoría de los colores perceptibles se pueden formar mezclando diferentes cantidades de tres colores primarios. Esto permite un control preciso y dinámico del color. Su potencia de emisión decae exponencialmente con el aumento de la temperatura, [131] lo que da como resultado un cambio sustancial en la estabilidad del color. Estos problemas inhiben el uso industrial. Los LED multicolores sin fósforos no pueden proporcionar una buena reproducción del color porque cada LED es una fuente de banda estrecha. Los LED sin fósforo, si bien son una solución más pobre para la iluminación general, son la mejor solución para las pantallas, ya sea retroiluminación de LCD o píxeles basados en LED directos.
La atenuación de una fuente de LED multicolor para que coincida con las características de las lámparas incandescentes es difícil debido a que las variaciones de fabricación, el tiempo y la temperatura cambian el valor de color real de salida. Para emular la apariencia de las lámparas incandescentes atenuadas, puede requerirse un sistema de retroalimentación con un sensor de color para monitorear y controlar activamente el color. [132]
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 LED blancos convertidos en fósforo (pcLED). [133] Una fracción de la luz azul sufre el desplazamiento de Stokes, que la transforma de longitudes de onda más cortas a más largas. Dependiendo del color del LED original, se utilizan varios fósforos de color. El uso de varias capas de fósforo de distintos colores amplía el espectro emitido, lo que aumenta de manera efectiva el índice de reproducción cromática (CRI). [134]
Los LED basados en fósforo tienen pérdidas de eficiencia debido a la pérdida de calor por el desplazamiento de Stokes y también a otros problemas relacionados con el fósforo. Sus eficacias luminosas en comparación con los LED normales dependen 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 basado en fósforo amarillo YAG 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 la producción de una fuente de luz o luminaria que utilice un emisor monocromático con conversión de fósforo es más simple y más económico que un sistema RGB complejo, y la mayoría de los LED blancos de alta intensidad que se encuentran actualmente en el mercado se fabrican utilizando conversión de luz de fósforo. [ cita requerida ]
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 desplazamiento de Stokes. Las pérdidas atribuibles a pérdidas ópticas internas debido a la reabsorción en el chip LED y en el propio encapsulado del LED representan normalmente entre el 10% y el 30% de la pérdida de eficiencia. Actualmente, en el área del desarrollo de LED de fósforo, se está dedicando mucho esfuerzo 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 encapsulado o utilizando un tipo de fósforo más adecuado. El proceso de revestimiento conformado se utiliza con frecuencia para abordar el problema de la variación del espesor del fósforo. [ cita requerida ]
Algunos LED blancos basados en fósforo encapsulan LED azules InGaN dentro de resina epoxi recubierta de fósforo. Como alternativa, el LED puede 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 que 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 aluminio e itrio dopado con cerio (Ce 3+ :YAG). [ cita requerida ]
Los LED blancos también se pueden fabricar recubriendo los LED de luz ultravioleta cercana (NUV) con una mezcla de fósforos de europio de alta eficiencia que emiten rojo y azul, más sulfuro de zinc dopado con cobre y aluminio (ZnS:Cu, Al) que emite verde. Este es un método análogo al modo en que funcionan 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 emisión radiativa de los LED ultravioleta que de los azules, ambos métodos ofrecen un brillo comparable. Una preocupación es que la luz ultravioleta puede filtrarse de una fuente de luz que no funciona y causar daños a los ojos o la piel humanos. [ cita requerida ]
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 costoso sustrato de zafiro típico en tamaños de obleas relativamente pequeños de 100 o 150 mm. [135] El aparato de zafiro debe estar acoplado a un colector tipo espejo para reflejar la luz que de otro modo se desperdiciaría. Se predijo que desde 2020, el 40% de todos los LED de GaN se fabrican con GaN-on-Si. La fabricación de material de zafiro de gran tamaño es difícil, mientras que el material de silicio de gran tamaño es más barato y más abundante. Las empresas de LED que cambien de utilizar zafiro a silicio deberían suponer una inversión mínima. [136]
Existen en el mercado LED RGBW que combinan unidades RGB con un LED blanco fosforoso. De esta manera, se conserva el color extremadamente ajustable del LED RGB, pero se permite optimizar la reproducción y la eficiencia del color cuando se selecciona un color cercano al blanco. [137]
Algunas unidades de LED de fósforo blanco son "blancos modulables", ya que combinan dos extremos de temperaturas de color (comúnmente 2700K y 6500K) para producir valores intermedios. Esta característica permite a los usuarios cambiar la iluminación para adaptarla al uso actual de una sala multifunción. [138] Como se ilustra con una línea recta en el diagrama de cromaticidad, las mezclas simples de dos blancos tendrán un sesgo rosado, que se vuelve más severo en el medio. Una pequeña cantidad de luz verde, proporcionada por otro LED, podría corregir el problema. [139] Algunos productos son RGBWW, es decir, RGBW con blanco modulable. [140]
Una última clase de LED blanco con luz mixta es la de luz tenue a cálida. Se trata de bombillas LED blancas de 2700 K comunes con un pequeño LED rojo que se enciende cuando se atenúa la bombilla. De esta manera, el color se vuelve más cálido, emulando una bombilla incandescente. [140]
Otro método utilizado para producir LED de luz blanca experimentales no utilizaba fósforos en absoluto 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. [141]
En un diodo orgánico emisor de luz ( OLED ), el material electroluminiscente que compone la capa emisora del diodo es un compuesto orgánico . El material orgánico es eléctricamente conductor debido a la deslocalización de los electrones pi causada por la conjugación sobre toda o parte de la molécula, y el material, por lo tanto, funciona como un semiconductor orgánico . [142] Los materiales orgánicos pueden ser pequeñas moléculas orgánicas en una fase cristalina o polímeros . [143]
Las ventajas potenciales de los OLED incluyen pantallas delgadas y de bajo costo con un bajo voltaje de activación, un amplio ángulo de visión y un alto contraste y gama de colores . [144] Los LED de polímero tienen el beneficio adicional de pantallas imprimibles y flexibles . [145] [146] [147] Los OLED se han utilizado para hacer pantallas visuales para dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos celulares, cámaras digitales, iluminación y televisores. [143] [144]
Los LED se fabrican en diferentes paquetes para diferentes aplicaciones. Se puede 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 ir desde una simple resistencia , un control de parpadeo o cambio de color, o un controlador direccionable para dispositivos RGB. Los dispositivos de emisión de luz blanca de mayor potencia se montarán 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 1,8 mm a 10 mm, en paquetes de montaje en superficie y con orificio pasante . [148] Las corrientes nominales típicas varían de alrededor de 1 mA a más de 20 mA. Los LED se pueden soldar a una tira de PCB flexible para formar una cinta LED que se utiliza popularmente para decoración.
Las formas más comunes de los envases incluyen los redondos, con una parte superior abovedada o plana, los rectangulares con una parte superior plana (como los que se usan en las pantallas de gráficos de barras) y los triangulares o cuadrados con una 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 mientras dejan pasar la radiación infrarroja, como el Osram SFH 4546. [149]
Los LED de 5 V y 12 V son LED miniatura comunes que tienen una resistencia en serie para conexión directa a una fuente de alimentación de 5 V o 12 V. [150]
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Los LED de alta potencia (HP-LED) o 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. Algunos pueden emitir más de mil lúmenes. [151] [152] Se han logrado densidades de potencia de LED de hasta 300 W/cm2 . 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 LED de alta potencia de esta categoría son la serie Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon y Cree X-lamp. A partir de septiembre de 2009, algunos LED de alta potencia fabricados por Cree superan los 105 lm/W. [153]
Ejemplos de la ley de Haitz —que predice un aumento exponencial de la salida de luz y la eficacia de los LED a lo largo del tiempo— son la serie de LED CREE XP-G, que alcanzó 105 lm/W en 2009 [153] y la serie Nichia 19 con una eficacia típica de 140 lm/W, lanzada en 2010. [154]
Los LED desarrollados por Seoul Semiconductor pueden funcionar con corriente alterna sin un convertidor de corriente continua. En cada semiciclo, una parte del LED emite luz y otra parte está apagada, y esto se invierte durante el siguiente semiciclo. La eficiencia de este tipo de LED de alto rendimiento es normalmente de 40 lm/W. [155] Una gran cantidad de elementos LED en serie pueden funcionar directamente con voltaje de línea. En 2009, Seoul Semiconductor lanzó un LED de alto voltaje de corriente continua, llamado 'Acrich MJT', capaz de funcionar con corriente alterna con un circuito de control simple. La baja disipación de energía de estos LED les otorga más flexibilidad que el diseño original de LED de corriente alterna. [156]
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Una tira , cinta o listón de luces LED es una placa de circuito flexible llena de diodos emisores de luz de montaje superficial (LED SMD) y otros componentes que, por lo general, vienen con un respaldo adhesivo. Tradicionalmente, las tiras de luces se habían utilizado únicamente en iluminación de acento, retroiluminación, iluminación de tareas y aplicaciones de iluminación decorativa, como la iluminación de cornisas .
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 que se utilicen en aplicaciones como iluminación de tareas de alto brillo, reemplazos de luminarias fluorescentes y halógenas, aplicaciones de iluminación indirecta, inspección ultravioleta durante procesos de fabricación, diseño de escenografía y vestuario y cultivo de plantas.
La corriente en un LED u otros diodos aumenta exponencialmente con el voltaje aplicado (ver ecuación del diodo Shockley ), por lo que un pequeño cambio en el voltaje puede causar un gran cambio en la corriente. La corriente a través del LED debe ser regulada por un circuito externo, como una fuente de corriente constante , para evitar daños. Dado que la mayoría de las fuentes de alimentación comunes son fuentes de voltaje (casi) constante, las luminarias LED deben incluir un convertidor de energía, o al menos una resistencia limitadora de corriente. En algunas aplicaciones, la resistencia interna de baterías pequeñas es suficiente para mantener la corriente dentro de la clasificación del LED. [ cita requerida ]
Los LED son sensibles al voltaje. Deben recibir un voltaje superior a su voltaje umbral y una corriente inferior a su valor nominal. La corriente y la vida útil cambian en gran medida con un pequeño cambio en el voltaje aplicado. Por lo tanto, requieren una fuente de alimentación regulada por corriente (normalmente, solo una resistencia en serie para los LED indicadores). [166]
Disminución de la eficiencia : la eficiencia de los LED disminuye a medida que aumenta la corriente eléctrica . El calentamiento también aumenta con corrientes más altas, lo que compromete la vida útil del LED. Estos efectos imponen límites prácticos a la corriente que pasa por un LED en aplicaciones de alta potencia. [167]
A diferencia de una lámpara incandescente tradicional, un LED se enciende solo cuando se aplica voltaje en la dirección directa del diodo. No fluye corriente y no se emite luz si se aplica voltaje en la dirección inversa. Si el voltaje inverso excede el voltaje de ruptura , que normalmente es de unos cinco voltios, fluye una gran corriente y el LED se dañará. Si la corriente inversa está lo suficientemente limitada como para evitar daños, el LED de conducción inversa es un diodo de ruido útil . [ cita requerida ]
Por definición, la banda prohibida de energía de cualquier diodo es mayor cuando está polarizado en forma inversa que cuando está polarizado en forma 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 está polarizado en forma inversa. La tensión de ruptura inversa es lo suficientemente alta 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 color diferente en cada dirección, no se espera que ningún elemento LED pueda emitir luz visible cuando está polarizado en forma inversa. [ cita requerida ]
No se sabe si podría existir algún diodo Zener que emitiera luz solo en modo de polarización inversa. Excepcionalmente, este tipo de LED conduciría si se conectara al revés.
La fabricación de LED implica varios pasos, incluida la epitaxia, el procesamiento del chip, la separación del chip y el empaquetado. [177]
En un proceso típico de fabricación de LED, la encapsulación se realiza después de sondear, trocear, transferir la matriz de la oblea al encapsulado y unir con cables o montar un chip invertido, [178] quizás utilizando óxido de indio y estaño , un conductor eléctrico transparente. En este caso, los cables de unión se unen a la película de ITO que se ha depositado en los LED.
El circuito de chip invertido en placa (COB) es una técnica que se puede utilizar para fabricar LED. [179]
Los LED convencionales 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 usos de los LED se dividen en cinco categorías principales:
La aplicación de LED en horticultura ha revolucionado el cultivo de plantas al proporcionar soluciones de iluminación personalizables y de bajo consumo energético que optimizan el crecimiento y desarrollo de las plantas. [192] Los LED ofrecen un control preciso sobre los espectros de luz, la intensidad y los fotoperiodos, lo que permite a los productores adaptar las condiciones de iluminación a las necesidades específicas de las diferentes especies de plantas y etapas de crecimiento. Esta tecnología mejora la fotosíntesis, mejora el rendimiento de los cultivos y reduce los costos de energía en comparación con los sistemas de iluminación tradicionales. Además, los LED generan menos calor, lo que permite una colocación más cercana a las plantas sin riesgo de daño térmico, y contribuyen a las prácticas agrícolas sostenibles al reducir la huella de carbono y extender las temporadas de crecimiento en entornos controlados. [193] El espectro de luz afecta el crecimiento, el perfil de metabolitos y la resistencia contra los fitopatógenos fúngicos de las plántulas de Solanum lycopersicum . [194] Los LED también se pueden utilizar en micropropagación . [195]
El bajo consumo de energía , el bajo mantenimiento y el pequeño tamaño de los LED han propiciado su uso como indicadores de estado y pantallas 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 autopistas. Las pantallas de mensajes delgadas y ligeras se utilizan en aeropuertos y estaciones de tren, y como pantallas de destino para trenes, autobuses, tranvías y transbordadores.
La luz de un solo 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 en frenos mejora la seguridad, debido a una gran reducción en el tiempo necesario para encenderse completamente, o un tiempo de subida más rápido, aproximadamente 0,1 segundos más rápido [ cita requerida ] que una bombilla incandescente. Esto les da a los conductores que van detrás más tiempo para reaccionar. En un circuito de intensidad dual (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 del LED si los ojos escanean rápidamente la matriz. Están comenzando a aparecer los 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 a su bajo costo relativo, los LED de bajo rendimiento también se utilizan en muchos usos temporales, como barras luminosas y lámparas arrojadizas. Los artistas también han utilizado LED para el arte LED .
Con el desarrollo de LED de alta eficiencia y alta potencia, se ha hecho posible el uso de LED en iluminación y alumbrado. Para fomentar el cambio a lámparas LED y otras luces de alta eficiencia, en 2008 el Departamento de Energía de los EE. UU. creó el concurso L Prize . La bombilla LED de Philips Lighting North America ganó el primer concurso el 3 de agosto de 2011, después de completar con éxito 18 meses de pruebas intensivas de campo, laboratorio y producto. [196]
Para una arquitectura sostenible es necesaria una iluminación eficiente . 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 un LED de 6 vatios podría lograr los mismos resultados que una bombilla incandescente estándar de 40 vatios. La menor emisión 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 a las fuentes menos efectivas, como las lámparas incandescentes y las lámparas fluorescentes compactas , y reducir el consumo de energía eléctrica y sus emisiones asociadas. Los LED alimentados por energía solar se utilizan como farolas y en la iluminación arquitectónica .
La robustez mecánica y la larga vida útil se utilizan en la iluminación de automóviles , motocicletas y bicicletas . Las luces de calle LED se utilizan en postes y en estacionamientos. En 2007, el pueblo italiano de Torraca fue el primer lugar en convertir su iluminación pública a LED. [197]
Cabin lighting on recent[when?] Airbus and Boeing jetliners uses LED lighting. LEDs are also being used in airport and heliport lighting. LED airport fixtures currently include medium-intensity runway lights, runway centerline lights, taxiway centerline and edge lights, guidance signs, and obstruction lighting.
LEDs are also used as a light source for DLP projectors, and to backlight newer LCD television (referred to as LED TV), computer monitor (including laptop) and handheld device LCDs, succeeding older CCFL-backlit LCDs although being superseded by OLED screens. RGB LEDs raise the color gamut by as much as 45%. Screens for TV and computer displays can be made thinner using LEDs for backlighting.[198]
LEDs are small, durable and need little power, so they are used in handheld devices such as flashlights. LED strobe lights or camera flashes operate at a safe, low voltage, instead of the 250+ volts commonly found in xenon flashlamp-based lighting. This is especially useful in cameras on mobile phones, where space is at a premium and bulky voltage-raising circuitry is undesirable.
LEDs are used for infrared illumination in night vision uses including security cameras. A ring of LEDs around a video camera, aimed forward into a retroreflective background, allows chroma keying in video productions.
LEDs are used in mining operations, as cap lamps to provide light for miners. Research has been done to improve LEDs for mining, to reduce glare and to increase illumination, reducing risk of injury to the miners.[199]
LEDs are increasingly finding uses in medical and educational applications, for example as mood enhancement.[200] NASA has even sponsored research for the use of LEDs to promote health for astronauts.[201]
Light can be used to transmit data and analog signals. For example, lighting white LEDs can be used in systems assisting people to navigate in closed spaces while searching necessary rooms or objects.[202]
Assistive listening devices in many theaters and similar spaces use arrays of infrared LEDs to send sound to listeners' receivers. Light-emitting diodes (as well as semiconductor lasers) are used to send data over many types of fiber optic cable, from digital audio over TOSLINK cables to the very high bandwidth fiber links that form the Internet backbone. For some time, computers were commonly equipped with IrDA interfaces, which allowed them to send and receive data to nearby machines via infrared.
Because LEDs can cycle on and off millions of times per second, very high data bandwidth can be achieved.[203] For that reason, visible light communication (VLC) has been proposed as an alternative to the increasingly competitive radio bandwidth.[204] VLC operates in the visible part of the electromagnetic spectrum, so data can be transmitted without occupying the frequencies of radio communications.
Machine vision systems often require bright and homogeneous illumination, so features of interest are easier to process. LEDs are often used.
Barcode scanners are the most common example of machine vision applications, and many of those scanners use red LEDs instead of lasers. Optical computer mice use LEDs as a light source for the miniature camera within the mouse.
LEDs are useful for machine vision because they provide a compact, reliable source of light. LED lamps can be turned on and off to suit the needs of the vision system, and the shape of the beam produced can be tailored to match the system's requirements.
The discovery of radiative recombination in aluminum gallium nitride (AlGaN) alloys by U.S. Army Research Laboratory (ARL) led to the conceptualization of UV light-emitting diodes (LEDs) to be incorporated in light-induced fluorescence sensors used for biological agent detection.[205][206][207] In 2004, the Edgewood Chemical Biological Center (ECBC) initiated the effort to create a biological detector named TAC-BIO. The program capitalized on semiconductor UV optical sources (SUVOS) developed by the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).[207]
UV-induced fluorescence is one of the most robust techniques used for rapid real-time detection of biological aerosols.[207] The first UV sensors were lasers lacking in-field-use practicality. In order to address this, DARPA incorporated SUVOS technology to create a low-cost, small, lightweight, low-power device. The TAC-BIO detector's response time was one minute from when it sensed a biological agent. It was also demonstrated that the detector could be operated unattended indoors and outdoors for weeks at a time.[207]
Aerosolized biological particles fluoresce and scatter light under a UV light beam. Observed fluorescence is dependent on the applied wavelength and the biochemical fluorophores within the biological agent. UV induced fluorescence offers a rapid, accurate, efficient and logistically practical way for biological agent detection. This is because the use of UV fluorescence is reagentless, or a process that does not require an added chemical to produce a reaction, with no consumables, or produces no chemical byproducts.[207]
Additionally, TAC-BIO can reliably discriminate between threat and non-threat aerosols. It was claimed to be sensitive enough to detect low concentrations, but not so sensitive that it would cause false positives. The particle-counting algorithm used in the device converted raw data into information by counting the photon pulses per unit of time from the fluorescence and scattering detectors, and comparing the value to a set threshold.[208]
The original TAC-BIO was introduced in 2010, while the second-generation TAC-BIO GEN II, was designed in 2015 to be more cost-efficient, as plastic parts were used. Its small, light-weight design allows it to be mounted to vehicles, robots, and unmanned aerial vehicles. The second-generation device could also be utilized as an environmental detector to monitor air quality in hospitals, airplanes, or even in households to detect fungus and mold.[209][210]
The light from LEDs can be modulated very quickly so they are used extensively in optical fiber and free space optics communications. This includes remote controls, such as for television sets, where infrared LEDs are often used. Opto-isolators use an LED combined with a photodiode or phototransistor to provide a signal path with electrical isolation between two circuits. This is especially useful in medical equipment where the signals from a low-voltage sensor circuit (usually battery-powered) in contact with a living organism must be electrically isolated from any possible electrical failure in a recording or monitoring device operating at potentially dangerous voltages. An optoisolator also lets information be transferred between circuits that do not share a common ground potential.
Many sensor systems rely on light as the signal source. LEDs are often ideal as a light source due to the requirements of the sensors. The Nintendo Wii's sensor bar uses infrared LEDs. Pulse oximeters use them for measuring oxygen saturation. Some flatbed scanners use arrays of RGB LEDs rather than the typical cold-cathode fluorescent lamp as the light source. Having independent control of three illuminated colors allows the scanner to calibrate itself for more accurate color balance, and there is no need for warm-up. Further, its sensors only need be monochromatic, since at any one time the page being scanned is only lit by one color of light.
Since LEDs can also be used as photodiodes, they can be used for both photo emission and detection. This could be used, for example, in a touchscreen that registers reflected light from a finger or stylus.[211] Many materials and biological systems are sensitive to, or dependent on, light. Grow lights use LEDs to increase photosynthesis in plants,[212] and bacteria and viruses can be removed from water and other substances using UV LEDs for sterilization.[116] LEDs of certain wavelengths have also been used for light therapy treatment of neonatal jaundice and acne.[213]
UV LEDs, with spectra range of 220 nm to 395 nm, have other applications, such as water/air purification, surface disinfection, glue curing, free-space non-line-of-sight communication, high performance liquid chromatography, UV curing dye printing, phototherapy (295nm Vitamin D, 308nm Excimer lamp or laser replacement), medical/ analytical instrumentation, and DNA absorption.[206][214]
LEDs have also been used as a medium-quality voltage reference in electronic circuits. The forward voltage drop (about 1.7 V for a red LED or 1.2V for an infrared) can be used instead of a Zener diode in low-voltage regulators. Red LEDs have the flattest I/V curve above the knee. Nitride-based LEDs have a fairly steep I/V curve and are useless for this purpose. Although LED forward voltage is far more current-dependent than a Zener diode, Zener diodes with breakdown voltages below 3 V are not widely available.
The progressive miniaturization of low-voltage lighting technology, such as LEDs and OLEDs, suitable to incorporate into low-thickness materials has fostered experimentation in combining light sources and wall covering surfaces for interior walls in the form of LED wallpaper.
LEDs require optimized efficiency to hinge on ongoing improvements such as phosphor materials and quantum dots.[215]
The process of down-conversion (the method by which materials convert more-energetic photons to different, less energetic colors) also needs improvement. For example, the red phosphors that are used today are thermally sensitive and need to be improved in that aspect so that they do not color shift and experience efficiency drop-off with temperature. Red phosphors could also benefit from a narrower spectral width to emit more lumens and becoming more efficient at converting photons.[216]
In addition, work remains to be done in the realms of current efficiency droop, color shift, system reliability, light distribution, dimming, thermal management, and power supply performance.[215]
Early suspicions were that the LED droop was caused by elevated temperatures. Scientists showed that temperature was not the root cause of efficiency droop.[217] The mechanism causing efficiency droop was identified in 2007 as Auger recombination, which was taken with mixed reaction.[167] A 2013 study conclusively identified Auger recombination as the cause.[218]
A new family of LEDs are based on the semiconductors called perovskites. In 2018, less than four years after their discovery, the ability of perovskite LEDs (PLEDs) to produce light from electrons already rivaled those of the best performing OLEDs.[219] They have a potential for cost-effectiveness as they can be processed from solution, a low-cost and low-tech method, which might allow perovskite-based devices that have large areas to be made with extremely low cost. Their efficiency is superior by eliminating non-radiative losses, in other words, elimination of recombination pathways that do not produce photons; or by solving outcoupling problem (prevalent for thin-film LEDs) or balancing charge carrier injection to increase the EQE (external quantum efficiency). The most up-to-date PLED devices have broken the performance barrier by shooting the EQE above 20%.[220]
In 2018, Cao et al. and Lin et al. independently published two papers on developing perovskite LEDs with EQE greater than 20%, which made these two papers a mile-stone in PLED development. Their device have similar planar structure, i.e. the active layer (perovskite) is sandwiched between two electrodes. To achieve a high EQE, they not only reduced non-radiative recombination, but also utilized their own, subtly different methods to improve the EQE.[220]
In the work of Cao et al.,[221] researchers targeted the outcoupling problem, which is that the optical physics of thin-film LEDs causes the majority of light generated by the semiconductor to be trapped in the device.[222] To achieve this goal, they demonstrated that solution-processed perovskites can spontaneously form submicrometre-scale crystal platelets, which can efficiently extract light from the device. These perovskites are formed via the introduction of amino acid additives into the perovskite precursor solutions. In addition, their method is able to passivate perovskite surface defects and reduce nonradiative recombination. Therefore, by improving the light outcoupling and reducing nonradiative losses, Cao and his colleagues successfully achieved PLED with EQE up to 20.7%.[221]
Lin and his colleague used a different approach to generate high EQE. Instead of modifying the microstructure of perovskite layer, they chose to adopt a new strategy for managing the compositional distribution in the device—an approach that simultaneously provides high luminescence and balanced charge injection. In other words, they still used flat emissive layer, but tried to optimize the balance of electrons and holes injected into the perovskite, so as to make the most efficient use of the charge carriers. Moreover, in the perovskite layer, the crystals are perfectly enclosed by MABr additive (where MA is CH3NH3). The MABr shell passivates the nonradiative defects that would otherwise be present perovskite crystals, resulting in reduction of the nonradiative recombination. Therefore, by balancing charge injection and decreasing nonradiative losses, Lin and his colleagues developed PLED with EQE up to 20.3%.[223]
Certain blue LEDs and cool-white LEDs can exceed safe limits of the so-called blue-light hazard as defined in eye safety specifications such as "ANSI/IESNA RP-27.1–05: Recommended Practice for Photobiological Safety for Lamp and Lamp Systems".[224] One study showed no evidence of a risk in normal use at domestic illuminance,[225] and that caution is only needed for particular occupational situations or for specific populations.[226] In 2006, the International Electrotechnical Commission published IEC 62471 Photobiological safety of lamps and lamp systems, replacing the application of early laser-oriented standards for classification of LED sources.[227]
While LEDs have the advantage over fluorescent lamps, in that they do not contain mercury, they may contain other hazardous metals such as lead and arsenic.[228]
In 2016 the American Medical Association (AMA) issued a statement concerning the possible adverse influence of blueish street lighting on the sleep-wake cycle of city-dwellers. Industry critics claim exposure levels are not high enough to have a noticeable effect.[229]
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