Diodo emisor de luz | |
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Tipo de | elemento electronico activo |
Principio de funcionamiento | electroluminiscencia |
inventado |
Henry Round (1907) Oleg Losev (1927) Nick Holonyak (1962) |
Creado por primera vez | 1962 |
Designación de símbolo | |
Configuración de pines | ánodo y cátodo |
El diodo emisor de luz o diodo emisor de luz (LED, LED; inglés light-emitting diode, LED ) es un dispositivo semiconductor con una unión de orificio de electrones que crea radiación óptica cuando una corriente eléctrica pasa a través de él en la dirección directa.
La luz emitida por el LED se encuentra en un rango estrecho del espectro , es decir, el LED emite inicialmente una luz casi monocromática (si hablamos de LED en el rango visible), en contraste con la lámpara , que emite un espectro más amplio, del cual se puede obtener un cierto color del brillo solo usando un filtro de luz . El rango espectral de la radiación de un LED depende principalmente del tipo y la composición química de los semiconductores utilizados y de la banda prohibida .
Cuando una corriente eléctrica pasa a través de una unión pn en dirección directa, los portadores de carga ( electrones y huecos ) se mueven uno hacia el otro y se recombinan en la capa empobrecida del diodo con la emisión de fotones debido a la transición de electrones de un nivel de energía. a otro [1] ..
No todos los materiales semiconductores emiten luz de manera eficiente cuando se recombinan . Los emisores eficientes se refieren a semiconductores de gap directo , es decir, aquellos en los que se permiten transiciones interbanda ópticas directas, tipo A III B V (por ejemplo, GaAs o InP ) y tipo A II B VI (por ejemplo, ZnSe o CdTe ). Al variar la composición de los semiconductores, es posible crear LED para todas las longitudes de onda posibles, desde el ultravioleta ( GaN ) hasta el infrarrojo medio ( PbS ).
Los diodos hechos de semiconductores de brecha indirecta (como silicio , germanio o carburo de silicio ) emiten poca o ninguna luz. En relación con el desarrollo de la tecnología de silicio, se está trabajando para crear LED basados en silicio. El LED amarillo soviético KL101 basado en carburo de silicio se produjo en los años 70, pero tenía un brillo muy bajo. Recientemente, grandes esperanzas se asocian con la tecnología de puntos cuánticos y cristales fotónicos .
El primer informe conocido sobre la emisión de luz por un diodo de estado sólido fue realizado en 1907 por el experimentador británico Henry Round de Marconi Labs . Round fue el primero en descubrir y describir la electroluminiscencia , que descubrió mientras estudiaba el paso de corriente en un par metal- carburo de silicio (carborundo, fórmula química SiC), y notó la aparición de un brillo amarillo, verde y naranja en el cátodo de el dispositivo.
Estos experimentos fueron más tarde, independientemente de Round, repetidos en 1923 por O. V. Losev , quien, mientras experimentaba en el laboratorio de radio de Nizhny Novgorod con detectores de cristal de ondas de radio, vio un brillo en el punto de contacto de dos materiales diferentes, el más fuerte - en un par de carborundum - una aguja de acero, tal Así, descubrió la electroluminiscencia de una unión de semiconductores (en ese momento el concepto de " unión de semiconductores " aún no existía) [2] .
Él publicó la observación del efecto de la electroluminiscencia en el punto de contacto entre el carborundo y el acero en la revista soviética Telegraphy and Telephony without Wires, y en 1927 recibió una patente (en la patente, el dispositivo se llama "relé de luz" ). Losev murió en el asedio de Leningrado en 1942, y su trabajo fue olvidado, la publicación no fue notada por la comunidad científica y muchos años después, el LED se inventó en el extranjero. [3] .
Losev demostró que la electroluminiscencia se produce cerca de la unión de los materiales [4] . Aunque no hubo una explicación teórica para el fenómeno observado, Losev apreció el significado práctico de su descubrimiento. Gracias al efecto de la electroluminiscencia, fue posible crear una fuente de luz de pequeño tamaño con un voltaje de alimentación muy bajo para ese momento (menos de 10 V) y alta velocidad. Llamó al futuro dispositivo "Light Relay " y recibió dos certificados de derechos de autor , solicitó el primero de ellos en febrero de 1927. [2]
En 1961 James Robert Bayardy Gary Pittman de Texas Instruments , independientemente de Losev, descubrieron la tecnología para fabricar un LED infrarrojo basado en arseniuro de galio (GaAs). Tras recibir una patente en 1962, comenzó su producción industrial.
El primer LED práctico del mundo que funciona en el rango claro (rojo) fue desarrollado por Nick Holonyak en la Universidad de Illinois para General Electric Company en 1962. Por tanto, Holonyak es considerado el "padre del LED moderno". Su antiguo alumno, George Craford, inventó el primer LED amarillo del mundo y aumentó 10 veces el brillo de los LED rojo y rojo-naranja en 1972. En 1976, T. Pearsol creó el primer LED del mundo de alta eficiencia y alto brillo para aplicaciones de telecomunicaciones, especialmente adaptado para la transmisión de datos a través de líneas de comunicación de fibra óptica .
Los LED siguieron siendo muy caros hasta 1968 (unos 200 dólares cada uno), por lo que su aplicación práctica era limitada. La investigación de Jacques Pankov en el laboratorio RCA condujo a la producción industrial de LED, en 1971 él y sus colegas obtuvieron un brillo azul del nitruro de galio y crearon el primer LED azul [5] [6] [ 7] [8] . Monsanto fue la primera empresa en producir en masa LED que funcionan en el rango de luz visible y aplicables en indicadores . Hewlett -Packard usaba indicadores LED en sus primeras calculadoras de bolsillo masivas.
A mediados de la década de 1970, en la FTI im. El grupo A. F. Ioffe dirigido por Zhores Alferov obtuvo nuevos materiales: heteroestructuras semiconductoras, actualmente utilizadas para crear diodos emisores de luz láser [9] [10] . Después de eso, comenzó la producción industrial en serie de LED basados en heteroestructuras. El descubrimiento fue galardonado con el Premio Nobel en 2000 [11] . En 1983, Citizen Electronics fue pionera en el desarrollo y producción de LED SMD, llamándolos CITILED [12] .
A principios de la década de 1990, Isama Akasaki, quien trabajó con Hiroshi Amano en la Universidad de Nagoya, y Shuji Nakamura , entonces investigador de la corporación japonesa Nichia Chemical Industries , inventaron la tecnología LED azul . En 2014, los tres recibieron el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de la tecnología para fabricar un LED azul barato [13] [14] . En 1993, Nichia comenzó su producción comercial.
Posteriormente, a base de LEDs azules, se fabricaron los blancos , consistentes en un cristal emisor de color azul recubierto con un fósforo a base de granate de itrio-aluminio dopado con cerio trivalente (YAG). El fósforo absorbe parte de la radiación azul y la vuelve a emitir en la región amarillo-verde, lo que le permite crear luz blanca . Nichia comenzó la producción comercial de LED blancos en 1996 [15] . Pronto, los LED blancos comenzaron a ser ampliamente utilizados en iluminación. Sobre la base de LED blancos, se han desarrollado linternas LED , lámparas , lámparas para diversos fines (incluidas las farolas ), focos , tiras de LED y otras fuentes de luz. En 2003, Citizen Electronics fue el primero en el mundo en producir un módulo LED patentado mediante el montaje directo de un chip Nichia en un sustrato de aluminio utilizando adhesivo dieléctrico Chip-On-Board . Los LED blancos permitieron crear una retroiluminación eficaz para las pantallas LCD en color , lo que contribuyó a su uso generalizado en dispositivos móviles, tabletas y teléfonos inteligentes.
La combinación de luz LED azul, verde y roja da como resultado una luz blanca de alta eficiencia energética, lo que condujo al desarrollo de, entre otras cosas, luminarias LED y pantallas LED retroiluminadas.
LED en una carcasa de plástico
LED infrarrojo utilizado en controles remotos
Lámpara LED (panel) para iluminación direccional escénica
LED de fósforo moderno en una linterna eléctrica de mano
Lámpara LED para casquillo estándar E27
Potente LED blanco de 20 W frente a LED indicador rojo de 5 mm
COB blanco - LED con una potencia de 100 W, tensión de alimentación de 36 V. A diferencia de los LED convencionales, se compone de muchos LED azules combinados en un cristal y con un revestimiento de fósforo común [16]
Diferencias esquemáticas entre los LED SMD y CSP [17]
Modernos LED superbrillantes de alta potencia en una placa de disipador de calor con contactos para instalación eléctrica
La característica de corriente-voltaje de los LED en la dirección directa no es lineal. El diodo comienza a conducir corriente desde un cierto umbral de voltaje. El valor de este voltaje le permite determinar con precisión el material del semiconductor.
El LED funciona haciendo pasar corriente a través de él en dirección directa (es decir, el ánodo debe tener un potencial positivo con respecto al cátodo ).
Debido a la característica de corriente-voltaje que aumenta bruscamente de la unión pn en la dirección directa, el LED debe conectarse a una fuente de corriente . La conexión a una fuente de tensión debe realizarse a través de un elemento (o circuito eléctrico ) que limite la corriente, por ejemplo, a través de una resistencia . Algunos modelos de LED pueden tener un circuito incorporado que limita la corriente consumida, en cuyo caso la especificación para ellos indica el rango de voltajes permitidos de la fuente de alimentación.
Conectar un LED directamente a una fuente de voltaje con baja resistencia interna que exceda la caída de voltaje declarada por el fabricante para un tipo particular de LED puede hacer que la corriente fluya a través de él por encima de la corriente máxima permitida, lo que hace que el cristal se sobrecaliente y provoque una falla instantánea. En el caso más simple, para los indicadores LED de baja potencia, el circuito limitador de corriente es una resistencia en serie con el LED. Para los LED de alta potencia, se utilizan circuitos PWM , que mantienen la corriente promedio a través del LED en un nivel determinado y, si es necesario, le permiten ajustar su brillo.
Es inaceptable aplicar voltaje con polaridad inversa a los LED desde una fuente con baja resistencia interna . Los LED tienen un voltaje de ruptura inversa bajo (varios voltios). En los circuitos donde es posible la tensión inversa, el LED debe estar protegido por un diodo convencional conectado en paralelo en polaridad opuesta.
Los LED convencionales están hechos de una variedad de materiales semiconductores inorgánicos, la siguiente tabla enumera los colores disponibles con el rango de longitud de onda, la caída de voltaje del diodo a la corriente directa nominal y el material semiconductor:
Color | Longitud de onda (nm) | Tensión directa (V) |
material semiconductor | |
---|---|---|---|---|
Infrarrojo | λ > 760 | ΔU < 1,9 | Arseniuro de galio (GaAs) (940 nm) Fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) (940 nm) Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) (880 nm) | |
Rojo | 610 < λ < 760 | 1,63 < ΔU < 2,03 | Fosfuro de galio(III) (GaP) (700 nm) Arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) (660 nm) Fosfuro de aluminio, galio e indio (AlGaInP) (625-630 nm) Fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP), (625 nm) LED azul recubierto con fósforo (LED rojo de PC) | |
Naranja ( ámbar ) |
590 < λ < 610 | 2,03 < ΔU < 2,10 | Fosfuro de aluminio, galio e indio (AlGaInP) (601-609 nm) Fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) (607 nm) LED azul recubierto de fósforo (LED ámbar de PC) | |
Amarillo | 570 < λ < 590 | 2,10 < ΔU < 2,18 | Fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) (590 nm) Fosfuro de aluminio, galio e indio (AlGaInP) (590 nm) | |
Verde | 500 < λ < 570 | 1,9 [18] < ΔU < 4,0 | Fosfuro de galio(III) (GaP) (568 nm) Fosfuro de aluminio, galio e indio (AlGaInP) (570 nm) Fosfuro de aluminio y galio (AlGaP) (570 nm) Nitruro de indio y galio (InGaN) (525 nm) LED azul, recubierto con fósforo ( LED lima) | |
azul verde [19] | 500 < λ < 510 | 2,48 < ΔU < 3,7 | Nitruro de indio y galio (InGaN) (505 nm) | |
Azul | 450 < λ < 500 | 2,48 < ΔU < 3,7 | Nitruro de indio y galio (InGaN) (450-470 nm) Seleniuro de zinc (ZnSe) Sustrato de carburo de silicio (SiC) Sustrato de silicio (Si) - (en desarrollo) | |
Violeta | 400 < λ < 450 | 2,76 < ΔU < 4,0 | Nitruro de indio y galio (InGaN) (405-440 nm) | |
Violeta | Una mezcla de varias bandas espectrales | 2,48 < ΔU < 3,7 | LED azul con fósforo rojo Doble: diodos azul y rojo en un solo paquete LED blanco con filtro magenta | |
ultravioleta | λ < 400 | 3,1 < ΔU < 4,4 | Diamante (235 nm) [20] Nitruro de boro (215 nm) [21] [22] | |
Blanco | Amplio rango espectral | ∆ U ≈ 3,5 | LED recubierto de fósforo azul (más común), violeta o ultravioleta Combinación de tres LED de colores primarios (rojo, azul, verde) |
A pesar de que los LED blancos se producen ampliamente en el mundo en combinación con un LED azul/violeta con un fósforo luminiscente amarillo o naranja aplicado , es posible usar fósforos de un color de brillo diferente. Como resultado de la aplicación de un fósforo rojo, se obtienen LED de color púrpura o rosa, con menos frecuencia se producen LED de color verde, donde se aplica un fósforo con un color de luminiscencia verde a un LED con radiación azul.
Los LED también pueden tener una carcasa de filtro de color.
En 2001, Citizen Electronics fue la primera en el mundo en producir un LED SMD de color pastel llamado PASTELITE [25] .
En comparación con otras fuentes de luz eléctrica, los LED tienen las siguientes diferencias:
La introducción generalizada de LED de varios diseños para ahorrar electricidad en la iluminación reveló que algunos de ellos tienen un espectro que difiere notablemente del espectro de la luz natural. Esto puede afectar negativamente la salud de las personas. La investigación llevada a cabo permitió el desarrollo de nuevos LED más perfectos higiénicamente [28] . Sin embargo, también se utilizan ampliamente productos de menor calidad, pero más económicos.
iluminación de la habitación
En faros de coche
aplicación decorativa
Foco LED
Iluminación con una línea de LEDs en el iPod Touch 2G
Los OLED generalmente se forman como estructuras de película delgada de múltiples capas hechas de compuestos orgánicos que emiten luz de manera eficiente cuando una corriente eléctrica pasa a través de ellos.
OLED encuentra su aplicación principal en la creación de dispositivos de visualización de información matricial (pantallas). Se supone que la producción de tales pantallas OLED será mucho más barata que las pantallas de cristal líquido .
El principal problema de OLED es el tiempo de funcionamiento continuo, que debería ser de al menos 15 mil horas. Un problema que actualmente impide la adopción generalizada de esta tecnología es que el OLED rojo y el OLED verde pueden funcionar continuamente sin atenuarse durante decenas de miles de horas más que el OLED azul [30] . La disminución del brillo de los OLED azules con el tiempo distorsiona visualmente la reproducción del color, y la duración de la reproducción del color de alta calidad resultó ser inaceptablemente corta para un dispositivo ofrecido comercialmente. Aunque hoy en día el OLED azul aún logra una vida útil de 17,5 mil horas (2 años) de funcionamiento continuo [31] .
Las pantallas OLED se utilizan en los últimos modelos de teléfonos móviles , navegadores GPS , televisores OLED y dispositivos de visión nocturna .
Módulos LED con control individual, los llamados Smart LED. Contienen varios tipos de LED y un circuito de control digital integrado en un solo paquete.
El módulo LED WS2812 tiene tres LED (rojo, azul y verde). El circuito de control controla el brillo de cada LED, lo que le permite obtener casi cualquier color de brillo. En algunos módulos LED, por ejemplo, SK6812W, además del trío de LED RGB, hay un LED blanco (recubrimiento de fósforo). El módulo generalmente se controla a través de un bus serie desde un solo cable. Para codificar un cero y un uno lógicos, se utilizan señales con una duración rígidamente especificada. Cada módulo LED tiene líneas de datos de entrada y salida. Al final de la programación de un módulo, su circuito de control se apaga y, además, pasa las señales de control directamente desde la entrada a la salida a través de sí mismo, lo que permite que el siguiente paquete de datos programe el brillo del siguiente módulo en la cadena de módulos. y así sucesivamente, hasta que todos los módulos LED de la cadena estén programados.
En términos de ingresos, el líder es la japonesa " Nichia Corporation " [32] .
También un importante fabricante de LED es Royal Philips Electronics , que tiene una política de adquisición de empresas de LED. Así, Hewlett-Packard vendió su división Lumileds Lighting a Philips en 2005 , y en 2006 adquirió Color Kinetics y TIR Systems, empresas con un amplio entramado tecnológico para la producción de LED blancos.
Nichia Chemical es una división de Nichia Corporation donde se desarrollaron por primera vez los LED blancos y azules . Actualmente, ostenta el liderazgo en la producción de LED ultrabrillantes: blanco, azul y verde. Además de los gigantes industriales antes mencionados, también cabe señalar las siguientes empresas: " Cree ", "Emcore Corp.", "Veeco Instruments", "Seoul Semiconductor" y "Aixtron de Alemania", que se dedican a la producción de chips y LED discretos individuales.
Los LED brillantes sobre sustratos de carburo de silicio son producidos por la empresa estadounidense Cree .
Los mayores [33] fabricantes de LED en Rusia y Europa del Este son Optogan y Svetlana-Optoelectronics . "Optogan" fue creado con el apoyo de la Corporación Estatal " Rosnano ". La producción de la compañía se encuentra en San Petersburgo . Optogan se dedica a la producción tanto de LED como de chips y matrices de LED, y también participa en la introducción de LED para iluminación general.
Svetlana-Optoelectronics (San Petersburgo) reúne empresas que llevan a cabo un ciclo tecnológico completo para el desarrollo y producción de sistemas de iluminación LED: desde el crecimiento epitaxial de obleas semiconductoras con heteroestructuras hasta complejos sistemas automatizados de control de iluminación inteligente.
Además, la planta de Samsung Electronics en la región de Kaluga se puede llamar una gran empresa para la producción de LED y dispositivos basados en ellos .
En 2021, se inauguró una planta de producción para empaquetar LED GS en el territorio del clúster de innovación Technopolis GS . Esta es la producción similar de más alta tecnología en Rusia. [34]
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