Led

Led
(diodo emisor de luz)
RBG-LED.jpg
Ledes azul, verde y rojo en un encapsulamiento de difusión de 5 mm.
Tipo Semiconductor
Principio de funcionamiento Electroluminiscencia
Invención H. J. Round (1907)[1]
Oleg Losev (1927)[2]
James R. Biard (1961)[3]
Nick Holonyak (1962)[4]
Primera producción Octubre 1962
Símbolo electrónico
Led espanol.png
Terminales Ánodo y Cátodo
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Un diodo emisor de luz (LED por sus siglas en inglés, light-emitting diode, o led, de acuerdo con la Real Academia Española)[6]​ Si se aplica una tensión adecuada a los terminales, los electrones se recombinan con los huecos en la región de la unión p-n del dispositivo, liberando energía en forma de fotones. Este efecto se denomina electroluminiscencia, y el color de la luz generada (que depende de la energía de los fotones emitidos) viene determinado por la anchura de la banda prohibida del semiconductor. Los ledes son normalmente pequeños (menos de 1 mm) y se les asocian algunas componentes ópticas para configurar un patrón de radiación.[7]

Los primeros ledes fueron fabricados como componentes electrónicos para su uso práctico en 1962 y emitían luz infrarroja de baja intensidad. Estos ledes infrarrojos se siguen empleando como elementos transmisores en circuitos de control remoto, como son los mandos a distancia utilizados dentro de una amplia variedad de productos de electrónica de consumo. Los primeros ledes de luz visible también eran de baja intensidad y se limitaban al espectro rojo. Los ledes modernos pueden abarcar longitudes de onda dentro de los espectros visible, ultravioleta e infrarrojo, y alcanzar luminosidades muy elevadas.

Los primeros ledes se emplearon en los equipos electrónicos como lámparas indicadoras en sustitución de las bombillas incandescentes. Pronto se asociaron para las presentaciones numéricas en forma de indicadores alfanuméricos de siete segmentos, al mismo tiempo que se incorporaron en los relojes digitales. Los recientes desarrollos ya permiten emplear los ledes para la iluminación ambiental en sus diferentes aplicaciones. Los ledes han permitido el desarrollo de nuevas pantallas de visualización y sensores, y sus altas velocidades de conmutación permiten utilizarlos también para tecnologías avanzadas de comunicaciones.

Hoy en día, los ledes ofrecen muchas ventajas sobre las fuentes convencionales de luces incandescentes o fluorescentes, destacando un menor consumo de energía, una vida útil más larga, una robustez física mejorada, un tamaño más pequeño así como la posibilidad de fabricarlos en muy diversos colores del espectro visible de manera mucho más definida y controlada; en el caso de ledes multicolores, con una frecuencia de conmutación rápida.

Estos diodos se utilizan ahora en aplicaciones tan variadas que abarcan todas las áreas tecnológicas actuales, desde la Bioingeniería, la Medicina y la Sanidad,[14]

Partes de un led convencional. Las superficies planas del yunque y del poste dentro del encapsulamiento de epoxi actúan como anclajes para evitar que los conductores se desplacen por un esfuerzo mecánico o por vibraciones.
Modern LED retrofit with E27 screw in base
Una lámpara moderna de led (llamada retrofit) en forma de bombilla. Presenta un disipador de calor de aluminio, una cúpula difusora de la luz y una base roscada del tipo E27. Utiliza una fuente de alimentación incorporada que se conecta a la red eléctrica.
Imagen ampliada de un led de montaje en superficie

Historia

Descubrimiento y primeros dispositivos

El fenómeno de la electroluminiscencia fue descubierto en 1907 por el experimentador británico Henry Joseph Round, de los laboratorios Marconi, usando un cristal de carburo de silicio y un detector de bigotes de gato.[16]​ El inventor soviético Oleg Lósev informó de la construcción del primer led en 1927. Su investigación apareció en revistas científicas soviéticas, alemanas y británicas, pero el descubrimiento no se llevó a la práctica hasta varias décadas más tarde. Kurt Lehovec, Carl Accardo y Edward Jamgochian interpretaron el mecanismo de estos primeros diodos led en 1951, utilizando un aparato que empleaba cristales de carburo de silicio, con un generador de impulsos y con una fuente de alimentación de corriente, y en 1953 con una variante pura del cristal.

Rubin Braunstein, de la RCA, informó en 1955 sobre la emisión infrarroja del arseniuro de galio (GaAs) y de otras aleaciones de semiconductores. Braunstein observó que esta emisión se generaba en diodos construidos a partir de aleaciones de antimoniuro de galio (GaSb), arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de indio (InP) y silicio-germanio (SiGe) a temperatura ambiente y a 77 kelvin.

Transistor led SNX-100 de GaAs ( Arseniuro de Galio) con encapsulamiento de tipo TO-18 fabricado por Texas Instruments.

En 1957, Braunstein también demostró que estos dispositivos rudimentarios podían utilizarse para establecer una comunicación no radiofónica a corta distancia. Como hace notar Kroemer, Braunstein estableció una línea de comunicaciones ópticas muy simple:[17]​ tomó la música procedente de un tocadiscos y la elaboró mediante la adecuada electrónica para modular la corriente directa producida por un diodo de GaAs Arseniuro de Galio. La luz emitida por el diodo de GaAS fue capaz de sensibilizar un diodo de PbS Sulfuro de Plomo situado a una cierta distancia. La señal así generada por el diodo de PbS fue introducida en un amplificador de audio y se trasmitió por un altavoz. Cuando se interceptaba el rayo luminoso entre los dos ledes, cesaba la música. Este montaje ya presagiaba el empleo de los ledes para las comunicaciones ópticas.

La electroluminiscencia verde de un punto de contacto en un cristal de SiC reproduce el experimento original que realizó Round en 1907.

En septiembre de 1961, James R. Biard y Gary Pittman, que trabajaban en Texas Instruments (TI) de Dallas ( Texas), descubrieron una radiación infrarroja (de 900 nm) procedente de un diodo túnel que habían construido empleando un sustrato de arseniuro de galio (GaAs).[19]​ En base a sus descubrimientos, el 8 de agosto de 1962 Biard y Pittman produjeron una patente de título “Semiconductor Radiant Diode” (Diodo radiante semiconductor) que describía cómo una aleación de zinc difundida durante el crecimiento del cristal que forma el sustrato de una unión p-n led con un contacto del cátodo lo suficientemente separado, permitía la emisión de luz infrarroja de manera eficiente en polarización directa.

A la vista de la importancia de sus investigaciones, tal como figuraban en sus cuadernos de notas de ingeniería y antes incluso de comunicar sus resultados procedentes de los laboratorios de General Electric, Radio Corporation of America, IBM, Laboratorios Bell o las del Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos les concedió una patente por la invención de los diodos emisores de luz infrarroja de arseniuro de galio (Patente US3293513A[21]

El primer led con emisión en el espectro visible (rojo) fue desarrollado en 1962 por Nick Holonyak.Jr cuando trabajaba en la General Electric. Holonyak presentó un informe en la revista Applied Physics Letters el 1 de diciembre de 1962.[24]

Desarrollo comercial inicial

Los primeros ledes comerciales fueron generalmente usados para sustituir a las lámparas incandescentes y las lámparas indicadoras de neón así como en los visualizadores de siete segmentos.[26]

Hewlett-Packard (HP) introdujo los ledes en 1968, inicialmente utilizando GaAsP suministrado por Monsanto. Estos ledes rojos eran lo suficientemente brillantes como para ser utilizados como indicadores, puesto que la luz emitida no era suficiente para iluminar una zona. Las lecturas en las calculadoras eran tan débiles que sobre cada dígito se depositaron lentes de plástico para que resultaran legibles. Más tarde, aparecieron otros colores que se usaron ampliamente en aparatos y equipos. En la década de los 70 Fairchild Optoelectrónics fabricó con éxito comercial dispositivos led a menos de cinco centavos cada uno. Estos dispositivos emplearon chips de semiconductores compuestos fabricados mediante el proceso planar inventado por Jean Hoerni de Fairchild Semiconductor.[30]

Pantalla led de una calculadora científica TI-30 (aprox. 1978) que utiliza lentes de plástico para aumentar el tamaño visible de los dígitos

La mayoría de los ledes se fabricaron en los encapsulamientos típicos T1¾ de 5 mm y T1 de 3 mm, pero con el aumento de la potencia de salida, se ha vuelto cada vez más necesario eliminar el exceso de calor para mantener la fiabilidad.[31]​ Por tanto ha sido necesario diseñar encapsulamientos más complejos ideados para conseguir una eficiente disipación de calor. Los encapsulamientos empleados actualmente para los ledes de alta potencia tienen poca semejanza con los de los primeros ledes.

Led azul

Los ledes azules fueron desarrollados por primera vez por Henry Paul Maruska de RCA en 1972 utilizando nitruro de Galio (GaN) sobre un substrato de zafiro.[34]​ Sin embargo, ninguno de estos ledes azules era muy brillante.

El primer led azul de alto brillo fue presentado por Shuji Nakamura de la Nichia Corp. en 1994 partiendo del material Nitruro de Galio-Indio ( InGaN).[38]​ En 1995, Alberto Barbieri del laboratorio de la Universidad de Cardiff (RU) investigaba la eficiencia y fiabilidad de los ledes de alto brillo y como consecuencia de la investigación obtuvo un led con el electrodo de contacto transparente utilizando óxido de indio y estaño (ITO) sobre fosfuro de aluminio-galio-indio y arseniuro de galio.

En 2001[41]

Led blanco y evolución

Ilustración de la Ley de Haitz donde se muestra la mejoría de la a lo largo del tiempo, empleando para ello una escala logarítmica en el eje vertical.

El logro de una alta eficiencia en los ledes azules fue rápidamente seguido por el desarrollo del primer led blanco. En tal dispositivo un “fósforo” (material fluorescente) de recubrimiento Y 3 Al 5 O 12 :Ce (conocido como YAG) absorbe algo de la emisión azul y genera luz amarilla por fluorescencia. De forma similar es posible introducir otros “fósforos” que generen luz verde o roja por fluorescencia. La mezcla resultante de rojo, verde y azul se percibe por el ojo humano como blanco; por otro lado, no sería posible apreciar los objetos de color rojo o verde iluminándolos con el fósforo YAG puesto que genera solo luz amarilla junto con un remanente de luz azul.

Los primeros ledes blancos eran caros e ineficientes. Sin embargo, la intensidad de la luz producida por los ledes se ha incrementado exponencialmente, con un tiempo de duplicación que ocurre aproximadamente cada 36 meses desde la década de los 1960 (de acuerdo con la Ley de Moore). Esta tendencia se atribuye generalmente a un desarrollo paralelo de otras tecnologías de semiconductores y a los avances de la óptica y de la ciencia de los materiales, y se ha convenido en llamar la Ley de Haitz en honor a Roland Haitz.[42]

La emisión luminosa y la eficiencia de los ledes azul y ultravioleta cercano aumentaron a la vez que bajó el coste de los dispositivos de iluminación con ellos fabricados, lo que condujo a la utilización de los ledes de luz blanca para iluminación. El hecho es que están sustituyendo a la iluminación incandescente y la fluorescente.[44]

Los ledes blancos pueden producir 300 lúmenes por watio eléctrico a la vez que pueden durar hasta 100.000 horas. Comparado con las bombillas de incandescencia esto supone no solo un incremento enorme de la eficiencia eléctrica sino también un gasto similar o más bajo por cada bombilla.[45]

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