DIODOS EMISORES DE LUZ (LED) El hecho de que las uniones pn puedan absorber luz y producir una corriente eléctrica, se estudió anteriormente. Lo contrario también es posible; es decir, un diodo de unión puede emitir luz o tener electroluminiscencia(EMISIÓN DE LUZ POR UN SÓLIDO EXITADO POR UN CAMPO ELECTROSTATICO). Esta emisión de luz debida a la inyección de electrones en un semiconductor, es uno de los hechos más notables en la tecnología moderna de semiconductores. La luz emitida en este caso procede de la recombinación electrón-hueco. Esto se ve claramente al considerar que cuando un electrón se recombina, cae desde un nivel sin ligadura, o de alta energía, a su estado neutro y se obtiene luz de una longitud de onda correspondiente a la diferencia de niveles de energía asociada con esta transición. En los diodos emisores de luz de estado sólido (LED), el suministro de electrones de mayor energía proviene de la polarización directa, inyectando así electrones en la región n (y huecos en la región p), como muestra la figura 68. Los huecos y electrones inyectados se recombinan con los portadores mayoritarios próximos a la unión. La radiación por recombinación es emitida en todas direcciones, observándose la mayor luz en la superficie superior porque el promedio de material entre la unión y esta superficie es mínimo. [La electroluminiscencia también ocurre en materiales de una pieza, o sin dopar, en condiciones de fuertes campos eléctricos, sin embargo, una unión dopada tiene un rendimiento grande, lo que significa una generación en exceso de electrones y huecos a niveles de energía apropiados].

(a)

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(b) Figura 72. Sección de un diodo emisor de luz (LED). (a) Explicación de funcionamiento. (b) construcción típica. La Figura 73(a) es un diagrama de niveles de energía, que se emplea para describir la radiación que tiene lugar en un LED. La multitud de cristales que se han empleado para construir LED se muestra en la Fig. 73(b). Se observará que varias de las sales de plomo empleadas en fotodetectores de infrarrojos también se emplean como emisores de luz electroluminiscentes. Realmente, en cualquier semiconductor con polarización directa, se producen transiciones radiativas o no, pero en muchos predomina esta última, o los fotones perdidos son tantos que no se observa ninguna radiación exterior.

Materiales mas comunes para construir LED’s Material --------- Banda de energía(eV) --Long. de onda(nm) ---Tipo de Transición Germanio (Ge) Silicio (Si) GaAs GaP GaAs60P40 AlSb InSb

0.66 1.09 1.43 2.24 1.91 1.60 0.18

1880 1140 870 560 650 775 6900

Indirecto Indirecto Directo Indirecto Directo Indirecto Directo

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Figura 73. (a) Diagrama de niveles de energía para varios LED y las transiciones asociadas. (b) varios materiales cristalinos y la porción del espectro en la cual emiten radiaciones. El GaAs es uno de los materiales más antiguos y mejores para LED. Una de las ventajas principales del GaAs es que tiene una gran probabilidad de transición directa radiactiva. Es decir, toda transición directa es siempre de la banda de conducción a la de valencia, A en la Fig. 73(a). Así pues, la energía de radiación en el GaAs es casi igual a la de la banda prohibida, es decir 1,4 eV (Tabla 6), lo cual corresponde a la longitud de onda de ≈ 885 nm. El GaP y el GaAsP se emplean para fabricar LED visibles y sus transiciones más probables son B y C respectivamente, en la Fig. 73(a). El GaP es un semiconductor indirecto de poco rendimiento. Ocurre una transici6n indirecta cuando difieren los momentos del electrón y el hueco (momento = masa x velocidad). En este caso ocurre una transición intermedia y la energía se pierde en forma de calor. Una mezcla de GaAs y GaP con ≈ 45 % de GaP es un material de banda directa con intervalo de energía de ≈ 1,97 eV, o longitud de onda de emisión de ≈ 630 nm. Cuando se aumenta la proporción de GaP en un LED de GaAsP la longitud de onda disminuye. LED’s de GaAsP con GaP pueden fabricarse para emitir en cualquier Onda entre ≈ 550 nm y 910 nm (siendo 555 nm el pico de la respuesta del ojo).

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El material de construcción para LED’s es el GaAsP, a este material le podemos cambiar la relación de impurezas(AsP) lo que permite diversas longitudes de onda(colores) sobre la base de la siguiente ecuación Ga As1-X PX (x es una fracción de mol), para x=1(verde), x=0.85(amarillo), x=0.40(rojo) y x=0(infrarrojo). El rendimiento cuántico del LED convencional de infrarrojos (fotones de salida por electrón de entrada) ha aumentado considerablemente, pero aún es bajo. Puede aumentarse considerablemente trabajando en la región del láser. La relación entre la energía de luz visible a la energía eléctrica de entrada para un LED, es menor de 1 %. (El rendimiento del GaAsP es máximo a ≈ 650 nm y cae a mayor o menor longitud de onda). Para tener una inyección luminiscente eficaz o un alto rendimiento de conversión de energía eléctrica en energía de recombinación, es necesario: (1) una buena alimentación o inyección de portadores minoritarios, (2) un alto rendimiento de recombinación radiativa, y (3) una elevada probabilidad de los fotones de escapar del LED. Para tener el máximo rendimiento de un LED, los fabricantes: 1. Utilizan los materiales menos absorbentes y de alto rendimiento directo con cristales lo menos defectuosos posible, de forma que los portadores o fotones no se pierdan en el sistema, atrapados en los defectos del cristal. 2. Colocan lentes con índices de refracción lo más próximos posible al del material del LED, de forma que se refleje la menor luz posible hacia el interior cuando atraviesan la separación LED-aire. 3. Trabajan en funcionamiento intermitente para eliminar problemas de Saturación y temperatura. 4. Enfrían los dispositivos para disminuir el número de transiciones no radiantes originadas por la dispersión de estados de energía cuando se añade energía térmica. La mayoría de los LED’s tienen un encapsulado comercial de plástico con una lente directamente sobre la unión p-n. No todos los fotones generados por la unión salen de la superficie del LED, tres elementos separados disminuyen la cantidad de fotones emitidos. 1. Perdidas debidas a los materiales de construcción(GaAsP/GaAs η=0.15, GaAsP/GaP η=0.76). 2. Perdidas FRESNEL(en dos elementos con diferente índice de refracción una parte de la radiación se refleja).

ηF =

4

(η 2 )2 + η 2 η

+ η1

1

η2

3. Perdidas por ángulo critico. η η C =  2  η1

  

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La unión de todas las perdidas nos da:

η optica = η ABS .η F η C Las ecuaciones anteriores se aplican cuantas veces sea necesario, es decir cuando el LED esta construido por varias capas hay perdidas entre cada cambio de índice de refracción y las perdidas se multiplican para encontrar el total. Con la figura 74 nos damos cuenta de la desviación de los haces de luz y el ángulo critico según el tipo de encapsulado.

Figura 74.

La figura 75 muestra la forma y características de un LED típico de tipo T 1-3/4.

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Figura 75. LED típico.

La intensidad de la iluminación de un LED depende de la característica de aumento de la lente del encapsulado como lo muestra la figura 76.

CURVA “A” x=0, FLUJO LUMINOSO = IV1 CURVA “B” x=r, FLUJO LUMINOSO = π n2 IV1 CURVA “C” x > D/2, FLUJO LUMINOSO < π n2 IV1

Figura 76. U2-T7 Diodos Emisores de Luz -

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El patrón de luminosidad en un LED es importante y generalmente las características nos dicen la luminosidad a media intensidad. Esto es el ángulo al cual la intensidad luminosa es la mitad de la del eje del LED, como se muestra en la figura 77.

Figura 77.

El patrón de iluminación depende del tipo de encapsulado como lo muestra la figura 78.

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La Figura 79 muestra la hoja de datos de un LED de infrarrojos típico. Se observarán las velocidades de nanosegundos, los valores de máxima corriente y tensión, la máxima potencia de salida radiante, el rendimiento [Psalida /IF (VF)], unos nanometros de anchura de emisión, la disminución de la potencia de salida radiante al aumentar la temperatura, las características corriente-tensión, y la potencia radiada en función de la corriente directa. Los LED de GaAs han sido fabricados con rendimientos y potencias de salida superiores a las indicadas en la Figura 79(a) (6% y 200 mW). Puede ser interesante analizar dos de las características. Primero, si se traza una recta sobre la curva Psalida en función de Ientrada, en la Figura 79(d), se observa que la característica es lineal, sólo por encima de ≈ 30 mA. La Figura 79(e) muestra que la potencia radiante de un LED de GaAs se duplica, aproximadamente, por cada 40oC que disminuye la temperatura. Esta ∆Psalida / ∆T es bastante constante en todas las unidades, pero varía el nivel de comienzo. Con relación ala Figura 79(d) se ve que existe una relación sencilla y directa entre Ientrada y Psalida; por tanto, un medio de compensar por temperatura es duplicar la corriente directa por cada 40oC de aumento en la temperatura. Hay dos configuraciones para realizar esta compensación, más el excitador correspondiente, como se ve en la Figura 80. En la Figura 80(a), el coeficiente negativo de temperatura del LED (Fig. 79(e) se anula por el coeficiente positivo de la corriente de colector del transistor (Ic). El valor de RE, en tal aplicación, es de unos cuantos ohms, y el valor óptimo se encuentra mejor por experimentación.

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Figura 79. Datos típicos de un LED de GaAs. (a) Especificaciones; (b) características; (c) espectro de emisión; (d) potencia de salida radiante en función de 1a corriente directa; (e) potencia de salida radiante en función de 1a temperatura; (f) dependencia de 1a temperatura del espectro de salido U2-T7 Diodos Emisores de Luz -

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La Fig. 80(b) emplea un circuito con resistor-termistor y un amplificador operacional para obtener la compensación por temperatura. Suponiendo el amplificador ideal (corriente de entrada despreciable, o diferencia de tensión entre terminales de entrada igual a cero) se observará que V1 ≈ V2 ≈ VC ; por tanto, la misma tensión aparece en Rl y R2, o Ientrada = V1/R1 y por tanto, Isalida = V1/R2. La ganancia de corriente del amplificador es: I salida V1 / R2 R1 = ≈ I entrada V1 / R1 R2 Como los termistores tienen un coeficiente de temperatura negativo, o su resistencia disminuye al aumentar la temperatura, Ientrada aumentará con la temperatura y le seguirá Isalida. El circuito resistor-termistor de la Figura 80(b) puede diseñarse con una ∆R/∆T que equilibre la demanda de corriente directa del LED para una Psalida constante, dentro de un determinado margen de temperatura. La situación del pico espectral de salida de un LED es también función de la temperatura (Figura 79(f)). La longitud de onda de emisión aumenta con la temperatura, porque el intervalo de energía disminuye al aumentar la temperatura. La respuesta de algunos fotodetectores de Si es relativamente constante en esta región de longitud de onda. Esta desventaja puede convertirse en una propiedad útil, variando la temperatura del LED para analizar la salida espectral en este margen. Esta aplicación elimina la necesidad de filtros ópticos que se emplean generalmente para obtener resolución espectral.

Figura 80 Compensación de temperatura para excitación de LED; (a) Transistor; (b) amplificador operacional-termistor. U2-T7 Diodos Emisores de Luz - 10

Resumiendo las ventajas de los LED: 1. Velocidades extremadamente altas (pocos nanosegundos). 2. Ancho de banda espectral estrecho, centrado próximo al pico de respuesta de muchos detectores de Si. 3. Bajo costo. 4. Larga vida comparada con las lámparas. 5. Linealidad en un amplio margen en Psalida en función de Ientrada. 6. Adaptable a funcionar con láser coherente. 7. Funcionamiento a baja tensión, lo cual los hace compatibles con circuitos integrados. 8. Variedad de colores. Las desventajas del LED son: 1. La potencia de salida radiante y la situación del centro de longitud de onda dependen de la temperatura. 2. Fácil destrucción por sobretensión o sobrecorriente. 3. Teóricamente no se consigue buen rendimiento excepto con enfriamiento especial o trabajo intermitente. 4. Ancho de banda óptico grande, comparado al láser. Uno de los usos más comunes del LED es como fuente de luz de alta velocidad y longitud de onda conocida para comprobar la linealidad, velocidad, etcétera, de circuitos de detección optoelectrónicos. La Figura 81(a) muestra un dispositivo típico económico donde se dispone de una rampa lineal o una onda cuadrada de luz dentro del margen de mega hertz. En este circuito debe tenerse cuidado de no exceder la tensión o corriente del LED, sin embargo, la tensión inversa es más alta que la directa, con lo cual es necesario insertar una batería para obtener unas tensiones directas e inversa máximas simétricas. La Figura 81(b) demuestra la técnica de protección de un LED, utilizando un resistor serie, limitador de corriente. Suponiendo una entrada de + 6 V y el LED 4107 de la Figura 79(a), la corriente directa máxima del LED es ≈100 miliamperios, y la tensión máxima 1.3 V. Por tanto, Rlimitadora ≥

6V − 1.3V ≥ 47Ω 100mA

La protección de tensiones de entrada negativas puede conseguirse añadiendo un diodo serie de baja pérdida para limitar la corriente inversa del LED.

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Figura 81. (a) Circuito de instrumento de calibración empleando un LED; (b) protección del LED. Unidades individuales y conjuntas de fuentes de luz de estado sólido acopladas a fotodiodos tienen aplicación en codificadores, multiplexores, aislamiento y comunicaciones. Uno de los mayores mercados para estos conjuntos es para reemplazar los dispositivos de lectura con tubos de vacío, tales como los tubos Nixie, las lámparas incandescentes o de descarga gaseosa, e incluso los TRC. Las figuras 82 y 83 muestran aplicaciones de LED’s en la figura 82 vemos el uso del LED visible a la salida de circuitos TTL para monitorear estas. La figura 83 muestra tres moduladores ara LED dos digitales y uno analógico.

Figura 82.

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MODULADOR DIGITAL CON TTL

Figura 83.

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