¿Cómo funciona un LED?
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Los diodos emisores de luz, comúnmente llamados LEDs, son una pieza ampliamente usada en el mundo de la electrónica pero que muchas veces parece que pasa desapercibida. Hacen docenas de trabajos diferentes y se encuentran en todo tipo de dispositivos. Entre otras cosas, forman los números en los relojes digitales, transmiten la información de los controles remotos, iluminan muchos aparatos que utilizamos, y nos dicen cuando hemos encendido ciertos aparatos. Agrupados juntos, pueden formar imágenes en pantallas publicitarias o en señales de tráfico.
Básicamente, un LED es simplemente una pequeña bombilla que encaja perfectamente en un circuito eléctrico. Pero a diferencia de las bombillas de incandescencia ordinarias, no tienen unfilamento que se quemará y no se calientan de la misma manera. Se iluminan solamente por el movimiento de electrones en un material semiconductor, y duran prácticamente lo que dura untransistor estándar. Un diodo es un dispositivo simple de semiconductor. Hablando de una forma general, un semiconductor está hecho de un conductor pobre que tiene impurezas (átomos de otro material).
Un semiconductor con electrones extra se llama un material del tipo N, ya que tiene partículas cargadas negativamente. En este tipo, los electrones libres se mueven de un área cargada negativamente a un área cargada positivamente. Un semiconductor con agujeros extra se llama del tipo P, ya que efectivamente tiene partículas extra cargadas positivamente. Los electrones pueden saltar de agujero a agujero moviéndose de un área negativa a una positiva. Como resultado, los propios agujeros parece que se mueven de un área positiva a uno negativo.
Un diodo comprende una sección de material de tipo N vinculado a una sección de material de tipo P, con electrodos en cada lado. Es formato conduce electricidad en solo un sentido. Cuando no se aplica voltaje al diodo, los electrones del material tipo N llena los agujeros del material de tipo P a la vez que hace una unión en las capas. En estas circunstancias, el material semiconductor es retornado a su estado aislante original – todos los agujeros son ocupados por lo que no hay electrones libres o espacios vacíos para los electrones, y la carga no puede fluir.
Para librarse de esta zona, hay que hacer que los electrones se muevan del área N al área P y los agujeros en la dirección contraria. Para hacerlo, se conecta el lado del tipo N del diodo a la terminación negativa del circuito, y la de tipo P a la terminación positiva. Los electrones libres en la parte N son repelidos por el electrodo negativo y movido al electrodo positivo. Los agujeros en el material P se mueven al revés. Cuando la diferencia de voltaje entre los electrodos es suficientemente alta, los electrones en la zona creada son lanzados fuera de sus agujeros y se empiezan a mover libremente. Entonces la carga se mueve por el diodo.
Si intentas mover corriente en la dirección opuesta, con la parte P conectada al punto negativo y la parte N al positivo, la corriente no pasará. Los electrones negativos en el material de tipo N son atraídos por los electrodos positivos. Los agujeros positivos en el tipo P son atraídos por el electrodo negativo. No hay flujo de corriente por la unión porque los agujeros y los electrones se están moviendo en la dirección equivocada.
¿Cómo funciona un diodo emisor de luz?
La luz es una forma de energía que puede ser liberada por un átomo. Esta compuesta de muchas minúsculas partículas como si fueran paquetes, que tienen energía pero no tiene masa. Estas partículas, llamados fotones, son las unidades más básicas de luz. Los fotones son liberados como resultado del movimiento de los electrones. En un átomo, los electrones se mueven en órbitas alrededor del núcleo. Los electrones en diferentes órbitas tienen diferentes cantidades de energía. Hablando de una forma general, los electrones con mayor cantidad de energía, se mueven más lejos de núcleo.
Para que un electrón pueda saltar de una orbita baja a órbita alta, algo debe liberar su energía. Por otra parte, un electrón libera energía cuando cae de una órbita alta a una baja. Esta energía es soltada en forma de un fotón. Una caída mayor produce una energía más alta en el fotón, la cual se caracteriza con una frecuencia alta. Como hemos visto en la anterior sección de este artículo, los electrones libres que se mueven por un diodo, pueden caer en agujeros vacíos desde la capa de tipo P. Esto conlleva una caída a una órbita inferior, por lo que los electrones liberan energía en forma de fotones. Esto ocurre en cualquier diodo, pero solo puedes ver los fotones cuando el diodo está compuesto de cierto material.
Por ejemplo, los átomos en un diodo de silicona estándar, están organizados de tal manera que los electrones caen a una distancia relativamente corta. Como resultado, la frecuencia de los fotones es tan baja, que es invisible al ojo humano – es una porción infrarroja del espectro de la luz. Esto no es necesariamente algo malo, ya que los LEDs infrarrojos son ideales para los controles remotos, entre otras cosas.
Los VLEDs, que son diodos emisores de luz visibles, como por ejemplo los que iluminan los números en un reloj digital, están hechos de materiales caracterizados por un mayor espacio entre las órbitas altas y las órbitas bajas. El tamaño de este espacio determina la frecuencia del fotón, o en otras palabras, determina el color de la luz.
Ventajas de los LED
Mientras que todos los diodos liberan luz, muchos no lo hacen de forma efectiva. En un diodo ordinario, el material semiconductor por su mismo, acaba absorbiendo mucha energía lumínica. Los LEDs están especialmente construidos para liberar un gran número de fotones al exterior. Adicionalmente, están localizados en un envoltorio de plástico que concentra la luz en una dirección particular. Los LEDs tienen varias ventajas sobre lámparas incandescentes convencionales. Por un lado, no tienenfilamentos que se pueden quemar, por lo que pueden durar más. Además, los pequeños envoltorios de plástico los hacen más duraderos, y caben más fácilmente en modernos circuitos electrónicos.
La mayor ventaja es sin duda la efectividad. En lámparas convencionales, el proceso de producción de luz genera mucho calor (al tener que calentarse el filamento). Esta energía es malgastada, a no ser que esté utilizando la lámpara como un calentador, por que una gran porción de la electricidad disponible no se está utilizando para producir luz visible. Los LEDs generan poco calor, relativamente hablando. Una proporción mayor de la energía eléctrica es dirigida a generar luz, lo cual acorta la demanda de electricidad considerablemente.
Hasta hace algún tiempo, los LEDs eran demasiado caros para ser usados en muchas aplicaciones de iluminación porque están construidos sobre materiales semiconductores avanzados. El precio de los dispositivos semiconductores ha caído en la última década, y los LEDS son la opción de iluminación más viable para un amplio rango de situaciones. Aunque puedan ser algo más caros que algunas luces de incandescencia, su coste es más bajo a largo plazo las hace más interesantes y efectivas.
Diodo láser
.El diodo láser es un dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que bajo las condiciones adecuadas
Cuando un diodo convencional o LED se polariza en directa, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n
y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que
circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse cayendo el
electrón al hueco y emitiendo un fotón con la energía correspondiente a la banda prohibida.
Esta emisión espontánea se produce normalmente en los diodos semiconductores, pero sólo es visible en algunos de ellos (como los LEDs),
que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante,
y habitualmente una energía de la banda prohibida coincidente con la correspondiente al espectro visible; en otros diodos, la energía
se libera principalmente en forma de calor, radiación infrarroja o radiación ultravioleta. En condiciones apropiadas, el electrón y el hueco
pueden coexistir un breve tiempo, del orden de nanosegundos, antes de recombinarse, de forma que si un fotón con la energía apropiada
pasa por casualidad por allí durante ese periodo, se producirá la emisión estimulada (véase láser), es decir, al producirse la recombinación
el fotón emitido tendrá igual frecuencia, polarización y fase que el primer fotón.
En los diodos láser, para favorecer la emisión estimulada y generación de luz láser, el cristal semiconductor del
diodo puede tener la forma de una lámina delgada con un lado totalmente reflectante y otro sólo reflectante de
forma parcial (aunque muy reflectante también), lográndose así una unión PN de grandes dimensiones con las
caras exteriores perfectamente paralelas y reflectantes. Es importante aclarar que las dimensiones de la unión
PN guardan una estrecha relación con la longitud de onda a emitir. Este conjunto forma una guía de onda similar
a un resonador de tipo Fabry-Perot. En ella, los fotones emitidos en la dirección adecuada se reflejarán
repetidamente en dichas caras reflectantes (en una totalmente y en la otra sólo parcialmente),
lo que ayuda a su vez a la emisión de más fotones estimulados dentro del material semiconductor
y consiguientemente a que se amplifique la luz (mientras dure el bombeo derivado de la circulación
de corriente por el diodo). Parte de estos fotones saldrán del diodo láser a través de la cara parcialmente
transparente (la que es sólo reflectante de forma parcial). Este proceso da lugar a que el diodo emita luz,
que al ser coherente en su mayor parte (debido a la emisión estimulada), posee una gran pureza espectral.
Por tanto, como la luz emitida por este tipo de diodos es de tipo láser, a estos diodos se los conoce por el
mismo nombre.
- Son muy eficientes.
- Son muy fiables.
- Tienen tiempos medios de vida muy largos.
- Son económicos.
- Permiten la modulación directa de la radiación emitida, pudiéndose modular a décimas de Gigahercio.
- Su volumen y peso son pequeños.
- El umbral de corriente que necesitan para funcionar es relativamente bajo.
- Su consumo de energía es reducido (comparado con otras fuentes de luz)
- El ancho de banda de su espectro de emisión es angosto (puede llegar a ser de sólo algunos kHz)
- Comunicaciones de datos por fibra óptica.
- Lectores de CD, DVD, Blu-rays, HD DVDs, entre otros.
- Interconexiones ópticas entre circuitos integrados.
- Impresoras láser.
- Escáneres o digitalizadores.
- Punteros láser.
- Sensores.
- Armas láser.
Fotodetectores
La definición básica de un fotodetector radica en su funcionamiento como transductor de luz que proporciona una señal eléctrica como respuesta a la radiación óptica que incide sobre la superficie sensora.
Existen dos tipos fundamentales de detectores de luz, los térmicos y los fotónicos que operan con mecanismos de transducción diferentes.
Los detectores térmicos absorben (detectan) la energía de los fotones incidentes en forma de calor con lo que se produce un incremento en la temperatura del elemento sensor que implica también un cambio en sus propiedades eléctricas como por ejemplo la resistencia. El cambio en esta propiedad eléctrica en función del flujo radiante recibido es lo que permite su medida a través de un circuito exterior. La mayoría de esta clase de fotodetectores son bastante ineficientes y relativamente lentos como resultado del tiempo requerido para cambiar su temperatura, lo que les hace inadecuados para la mayor parte de las aplicaciones fotónicas.
Fig. 4.1 Esquema básico de un dispositivo fotodetector
Los detectores fotónicos no utilizan la energía del fotón en forma de calor, sino que la invierten en incrementar la energía de sus portadores de carga, con lo que se modifican las propiedades de conducción eléctrica de los sistemas detectores en función del flujo de fotones recibido. Este proceso de conversión implica la transformación de los fotones incidentes en electrones, pero esta respuesta simple no tendría ninguna relevancia si esos electrones no se ponen en movimiento para generar una corriente, que es la magnitud que realmente podemos medir, para ello en ocasiones hay que aplicar un campo eléctrico, dando lugar a un esquema como el de la figura 4.1. Dado su origen, la corriente así generada recibe el nombre de fotocorriente. Es a esta clase de detectores a la que nos vamos a dedicar en este tema.
Son los más utilizados en los sistemas de comunicaciones, y como ya se ha dicho, están basados en la capacidad de ionización de un material semiconductor, de forma que los diferentes dispositivos que veremos no son más que variaciones de este mismo principio. Para caracterizar el comportamiento de estos detectores, existen unos parámetros fundamentales a tener en cuenta en el proceso de selección para cada aplicación particular. Estos parámetros son
Eficiencia cuántica
Responsividad
Tiempo de respuesta
Características de ruido
En general, los fabricantes de dispositivos proporcionan datos relacionados con estas características fundamentales, aunque en ocasiones no se den éstos de manera explícita. Aparte de la información de los dispositivos como detectores de radiación, también hay que tener en cuenta sus propiedades eléctricas en virtud de las características de componente electrónico que presentan. A lo largo del tema podremos ver algunos ejemplos de cómo trabajar con estos datos.
En principio, vamos a dar una breve descripción de los parámetros básicos enumerados anteriormente, indicando los factores más importantes de que dependen cuando sea necesario.
2.1. Eficiencia cuántica ( 0 <= η <= 1 )
Se define como la probabilidad de que un fotón incidente sobre el dispositivo genere un par de portadores que contribuyen a la corriente del detector. Dado que en general tendremos una elevada cantidad de fotones incidiendo sobre la superficie del detector, podemos escribir la eficiencia cuántica como
(4.2.1)
No todos los fotones incidentes generan portadores que contribuyan a la fotocorriente, los efectos de reflexión en la superficie, transparencia del material a los fotones de energía inferior a la del gap de energía prohibida del mismo, la probabilidad de absorción cerca de la superficie del dispositivo y la rápida recombinación de portadores en este caso por la abundancia de defectos, hace que la eficiencia cuántica se reduzca. Si tenemos en cuenta estos factores, la eficiencia cuántica total vendrá dada por
(4.2.2)
En la expresión (4.2.2), aparecen tres términos diferentes que afectan a al eficiencia cuántica. El primero da cuenta de los efectos de reflexión en la superficie del dispositivo, es decir, de todos los fotones incidentes una fracción no penetra en el material. El segundo término (ξ ) hace referencia a la fracción de los fotones incidentes que penetran en el material generando pares eh y que evitan la recombinación superficial de portadores de carga, con lo que contribuyen a la generación de corriente útil. El problema de la recombinación superficial puede minimizarse si se realiza un crecimiento cuidadoso de los cristales que forman los dispositivos. Finalmente, aparece un término que da cuenta de la fracción de fotones absorbidos en el material masivo. Aparecen parámetros tales como el coeficiente de absorción del material (α [cm1]) y la profundidad del fotodetector (d [cm]). La obtención de este término tiene en cuenta el flujo de fotones incidente Φo y los absorbidos en función de la capacidad de absorción del material (figura 4.3). Si tenemos en cuenta la expresión de los fotones absorbidos
(4.2.3)
es fácilmente deducible el tercer término de la expresión (4.2.2).
En la figura 4.2 puede verse una representación esquemática de todos los fenómenos que intervienen en el valor final del factor de la eficiencia cuántica.
Fig. 4.2 Factores que intervienen en la eficiencia cuántica de un fotodetector
Debemos notar que el coeficiente de absorción en la ecuación (4.2.2) depende de la longitud de onda. Este es uno de los factores principales por los que la eficiencia cuántica del dispositivo que utilicemos dependerá también de la longitud de onda. Esta circunstancia da lugar a la necesidad de utilizar diferentes materiales dependiendo del rango de longitudes de onda a detectar (figura 4.3). En efecto, si λ > λC, nos encontraremos con η <<, por lo que no será posible la detección de esa longitud de onda. Si por contra λ << λC, se da el fenómeno de absorción superficial, lo que como ya sabemos hace que la recombinación de portadores se de en un tiempo tan corto que no se genera fotocorriente.
Diodo PIN
Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermedia semiconductor intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca se sustituye bien por una capa tipo P de altaresistividad (π) o bien por una capa n de alta resistividad (ν).
El diodo PIN puede ejercer, entre otras cosas, como:
- conmutador de RF
- resistencia variable
- protector de sobretensiones
- fotodetector
El fotodiodo PIN es uno de los fotodetectores más comunes, debido a que la capa intrínseca se puede modificar para optimizar su eficiencia cuántica y margen de frecuencia.siendo así un material intrínseco semiconductor
El diodo PIN se puede utilizar como conmutador de microondas. Tiene capacidad para manejar alta potencia.
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