• Author / Uploaded
• Jesus Mh

• Categories
• Diodo emisor de luz
• Oled
• Color
• Diodo
• Ligero

Citation preview

Tema 3-4 pág. 127-136

Diodos ópticos En esta sección se introducen dos tipos de dispositivos optoelectrónicas: el diodo emisor de luz (LED) y el fotodiodo. Como su nombre lo implica, el LED es un emisor de luz. El fotodiodo, por otra parte, es un detector de luz. El diodo emisor de luz (LED) La operación básica del diodo emisor de luz (LED) es la que a continuación se describe. Cuando el dispositivo está polarizado en directa, los electrones atraviesan la unión pn desde el material tipo n y se recombina con huecos en el material tipo p. Recuerde cómo el capítulo 1 indica que estos electrones libres están en la banda de conducción y a una energía más alta que los huecos en la banda de valencia. Cuando ocurre la recombinación, los electrones recombinantes liberan energía en la forma de fotones. Una gran área expuesta en una capa del material semiconductor permite que los fotones sean emitidos como luz visible. Este proceso, llamado electroluminiscencia, se ilustra en la figura 3-29. Se agregan varias impurezas durante el proceso de dopado para establecer la longitud de onda de la luz emitida. La longitud de onda determina el color la luz visible. Algunos LED emiten fotones con longitudes ondas más largas que no forman parte del espectro visible y localizados en la parte infrarroja (IR) del espectro.

Materiales semiconductores utilizados en los LED El semiconductor arseniuro de galio (GaAs) se utilizó en los primeros LED y emite radiación infrarroja, la cual es invisible. Los primeros LED rojos visibles se produjeron utilizando fosfuro arseniuro de galio (GaAsP) sobre un sustrato de GaAs. La eficiencia se incrementó con el uso de un sustrato de fosfuro de galio (GaP) y se obtuvieron LED rojos más brillantes y también LED naranjas. Posteriormente, se utilizó GaP como emisor de luz para obtener luz verde pálida. Con el uso de una porción de material rojo y una verde, los LED fueron capaces de producir luz amarilla. Los primeros LED rojos, amarillos y verdes súper brillantes se produjeron utilizando fosfuro arseniuro de galio-aluminio (GaAlAsP). A principios de los años 90 estuvieron disponibles LED ultra brillantes utilizando fosfuro de aluminio-galioindio (InGaAlP) en rojo, naranja, amarillo y verde. Se obtuvieron LED azules utilizando carburo de silicio (SiC) y LED azules ultra brillantes hechos de nitruro de galio (GaN). Los LED de alta intensidad blancos que producen luz de colores verde y azul también se hacen de nitruro de galio-indio (InGaN). Los LED blancos de alta intensidad se forman con GaN azul ultra brillante recubierto con fósforo fluorescente que absorbe la luz azul y la reemite como luz blanca.

Polarización de los LED El voltaje de polarización en directa a través de un LED es considerablemente más grande que a través de un diodo de silicio. Típicamente, el VF máximo para LED varía entre 1.2 V y 3.2 V, según el material. La ruptura en inversa para un LED es mucho menor que para un diodo de rectificador de silicio (3 V a 10 V es típico). El LED emite luz en respuesta a una corriente suficiente con polarización en directa, como lo muestra la figura 3-30 (a). La cantidad de potencia de salida transformada en luz es directamente proporcional a la corriente en polarización en directa, como la figura 3-30 (b) lo ilustra. Un incremento de IF corresponden proporcionalmente a un incremento de la salida de luz.

Emisión de luz Un LED emite luz dentro de un intervalo especificado de longitudes de onda, como lo indican las curvas de salida espectral de la figura 3-31.

Información en una hoja de datos de LED La figura 3-34 muestra una hoja de datos parcial de un diodo emisor de luz infrarrojo (IR) TSMF1000. Observe que el voltaje en inversa máximo es de sólo 5 V, la corriente máxima de polarización en directa es de 100 mAy la caída de voltaje de polarización en directa es aproximadamente de 1.3 con IF 20 mA. En la parte (c) de la gráfica se puede ver que la salida de potencia pico para este dispositivo ocurre a una longitud de onda de 870 nm; su patrón de radiación se muestra en la parte (d). Intensidad radiante e irradiancia En la figura 3-34 (a), la intensidad radiante, Ie (símbolo que no deberá ser confundido con la corriente), es la potencia de salida por esterradian y se especifica como 5 mW/sr con IF 20 mA. El esterradian (sr) es la unidad de medición del ángulo sólido. La irradiancia, E, es la potencia por unidad de área a una distancia dada de una fuente de LED expresada en nW/cm2. La irradiancia es importante porque la respuesta de un detector (fotodiodo) utilizado junto con un LED depende de la irradiancia de la luz que recibe

Aplicaciones Se utilizan los LED estándar en lámparas indicadoras y pantallas para salidas de datos en una amplia variedad de instrumentos, que van desde aparatos electrodomésticos hasta aparatos científicos

LED de alta intensidad Los LED que producen luz de mucha más intensidad que los LED estándar se encuentran en muchas aplicaciones tales como semáforos, faros automotrices, señales de información y publicidad para interiores y exteriores, e iluminación doméstica Semáforos Los LED están reemplazando con rapidez a los focos incandescentes tradicionales en aplicaciones de luces de tráfico. Conjuntos de LED minúsculos forman las luces rojas, amarillas y verdes en un semáforo. Un conjunto de LED ofrece tres ventajas importantes sobre el foco incandescente: luz más brillante, mayor duración (años contra meses) y menos consumo de energía (aproximadamente 99 por ciento menos). Pantallas de LED Los LED son ampliamente utilizados en anuncios grandes y pequeños, y en tableros de mensajes tanto en interiores como en exteriores, incluidas grandes pantallas de televisión. Los anuncios pueden ser de un solo color, de varios colores o de todos los colores. La pantallas de todos los colores utilizan agrupamientos minúsculos de LED rojos, verdes y azules de alta intensidad para formar un píxel. Un pantalla típica se compone de miles de píxeles RGB; el número exacto es determinado por los tamaños de la pantalla y el píxel. El rojo, verde y azul (RGB, del inglés, red, green, blue) son colores primarios y cuando se combinan en cantidades variables pueden ser utilizados para producir cualquier color del espectro visible.

Otras aplicaciones Los LED de alta intensidad se utilizan cada vez más en automóviles como cuartos traseros, luces de freno, direccionales, luces de reversa y aplicaciones interiores. Se espera que los conjuntos de LED reemplacen a la mayoría de los focos incandescentes en los sistemas de iluminación automotrices. Con el tiempo, los faros delanteros también podrán ser reemplazados por conjuntos de LED blancos. Los LED son más fáciles de ver en mal tiempo y duran 100 veces más que un foco incandescente Los LED también se han abierto camino hacia las aplicaciones de iluminación de casas y negocios. Los conjuntos de LED blancos con el tiempo pueden reemplazar a los focos incandescentes y lámparas fluorescentes en áreas interiores residenciales y comerciales. Como previamente se mencionó, la mayoría de los LED utilizan un LED de GaN (nitruro de galio) azul cubierto por un recubrimiento de fósforo amarillento hecho de un cierto tipo de cristales que han sido espolvoreados y pegados con cierto tipo de adhesivo. Como la luz amarilla estimula los receptores de los colores rojo y verde del ojo, la mezcla resultante de luz azul y amarillo da la apariencia de blanco.

El LED orgánico (OLED) Un OLED es un dispositivo que consiste en dos o tres capas de materiales compuestos de moléculas o polímeros orgánicos que emiten luz con la aplicación de voltaje. Los OLED producen luz mediante el proceso de electrofosforescencia. El color de la luz depende del tipo de molécula orgánica presente en la capa emisora. La estructura básica de un OLED de 2 capas se muestra en la figura 3-43

El fotodiodo El fotodiodo es un dispositivo que opera con polarización en inversa, como la figura 3-44 (a) lo muestra, donde IA es la corriente luminosa en inversa. El fotodiodo tiene una pequeña ventana transparente que permite que la luz choque con la unión pn

Recuerde que cuando se polariza en inversa, un diodo rectificador tiene una corriente de fuga en inversa muy pequeña. Lo mismo se aplica a un fotodiodo: la corriente de polarización en inversa es producida por pares de electrón-hueco térmicamente generados en la región de empobrecimiento, los cuales son arrastrados a través de la unión pn por el campo eléctrico creado por el voltaje en inversa. En un diodo rectificador, la corriente de fuga en inversa se incrementa con la temperatura debido al incremento del número de pares de electrón-hueco. Un fotodiodo difiere de un diodo rectificador en que cuando su unión pn se expone a la luz, la corriente en inversa se incrementa con la intensidad de la luz