¿Qué es un diodo emisor de luz (LED)?
A Diodo emisor de luz (LED) es un tipo especial de Diodo de unión PN. El diodo emisor de luz está especialmente dopado y hecho de un tipo especial de semiconductor. Este diodo puede emitir luz cuando está en el estado de sesgo hacia adelante. El fosfuro de aluminio-indio-galio (AlInGaP) y el nitruro de indio-galio (InGaN) son dos de los semiconductores más utilizados para las tecnologías de LED.
Las tecnologías LED más antiguas utilizaban fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP), fosfuro de galio (GaP) y arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs). Los LEDs generan radiación visible mediante el fenómeno de electroluminiscencia cuando se aplica una corriente directa de bajo voltaje a un cristal adecuadamente dopado que contiene una unión p-n, como se muestra en el siguiente diagrama.
El dopaje se realiza típicamente con elementos de las columnas III y V de la tabla periódica. Cuando una corriente sesgada hacia adelante, IFenergiza la unión p-n, emite luz en una longitud de onda definida por la brecha de energía de la región activa, Eg.
¿Cómo funciona un diodo emisor de luz (LED)?
Cuando la corriente de sesgo hacia adelante IF se aplica a través de la unión p-n de la diodo…se inyectan electrones portadores minoritarios en la región p y los correspondientes electrones portadores minoritarios en la región n. La emisión de fotones se produce debido a la recombinación de los agujeros de los electrones en la región p.
Las transiciones de energía de los electrones a través de la brecha de energía, llamadas recombinaciones radiativas, producen fotones (es decir, luz), mientras que las transiciones de energía de los shunts, llamadas recombinaciones no radiativas, producen fonones (es decir, calor). En el cuadro que figura a continuación se muestran las eficacias luminosas de los típicos LEDs AlInGaP e InGaN para diferentes longitudes de onda de pico.
La eficacia depende de la energía lumínica generada en la unión y de las pérdidas debidas a la reabsorción cuando la luz intenta escapar a través del cristal. El alto índice de refracción de la mayoría de los semiconductores hace que la luz se refleje desde la superficie hacia el cristal y se atenúe mucho antes de salir finalmente. La eficacia expresada en términos de esta última energía visible medible se denomina eficacia externa.
El fenómeno de la electroluminiscencia se observó en el año 1923 en los cruces naturales, pero no era práctico en ese momento debido a su baja eficacia luminosa para convertir la energía eléctrica en luz. Sin embargo, hoy en día la eficacia ha aumentado considerablemente y los LED se utilizan no sólo en señales, indicadores, carteles y pantallas, sino también en aplicaciones de iluminación interior y en aplicaciones de iluminación de carreteras.
El color de un LED
El color de un dispositivo LED se expresa en términos de la longitud de onda dominante emitida, d (en nm). Los LEDs de AlInGaP producen los colores rojo (626 a 630 nm), rojo-naranja (615 a 621 nm), naranja (605 nm) y ámbar (590 a 592 nm). Los LEDs de InGaN producen los colores verde (525 nm), verde azul (498 a 505 nm) y azul (470 nm). El color y el voltaje de avance de los LEDs AlInGaP dependen de la temperatura de la unión p-n del LED.
A medida que la temperatura de la unión p-n del LED aumenta, la intensidad luminosa disminuye, la longitud de onda dominante se desplaza hacia longitudes de onda más largas, y el voltaje de avance cae. La variación de la intensidad luminosa de los LEDs de InGaN con temperatura ambiente de funcionamiento es pequeña (alrededor del 10%) de 20C a 80C. Sin embargo, la longitud de onda dominante de los LEDs InGaN varía con la corriente de accionamiento del LED; a medida que la corriente de accionamiento del LED aumenta, la longitud de onda dominante se desplaza hacia longitudes de onda más cortas.
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Atenuación
Los LEDs pueden ser atenuados para dar el 10% de su salida de luz nominal reduciendo la corriente de accionamiento. Los LEDs son generalmente atenuados usando técnicas de modulación de ancho de pulso.
Fiabilidad
La temperatura máxima de unión (TJMAX) es el parámetro más crítico para un LED. Las temperaturas que superan este valor suelen provocar daños en el dispositivo LED encapsulado en plástico. El Tiempo Medio entre Fallas (MTBF) se usa para averiguar la vida media de los LED. El MTBF se determina operando una cantidad de dispositivos LED a una corriente nominal en una temperatura ambiente de 55C y registrando cuando la mitad de los dispositivos fallan.
LEDs blancos
Los LEDs blancos se están fabricando ahora usando dos métodos: En el primer método los chips de LEDs rojos, verdes y azules se combinan en el mismo paquete para producir luz blanca; en el segundo método se utiliza la fosforescencia. La fluorescencia en el fósforo que se encapsula en el epoxi que rodea al chip LED se activa por la energía de longitud de onda corta del dispositivo LED InGaN.
Eficacia luminosa
La eficacia luminosa de los LED se define como el flujo luminoso emitido (en lm) por unidad de potencia eléctrica consumida (en W). Los LED azules tienen una eficacia interna nominal del orden de 75 lm/W; los LED rojos, aproximadamente 155 lm/W; y los LED ámbar, 500 lm/W. Teniendo en cuenta las pérdidas debidas a la reabsorción interna, la eficacia luminosa es del orden de 20 a 25 lm/W para los LED ámbar y verde. Esta definición de eficacia se denomina eficacia externa y es análoga a la definición de eficacia que se utiliza habitualmente para otros tipos de fuentes de luz.
