El diodo emisor de luz es un diodo especial. Al igual que los diodos ordinarios, los diodos emisores de luz están compuestos de chips semiconductores. Estos materiales semiconductores están preimplantados o dopados para producir estructuras p y n.
Al igual que otros diodos, la corriente en el diodo emisor de luz puede fluir fácilmente desde el polo p (ánodo) al polo n (cátodo), pero no en la dirección opuesta. Dos portadores diferentes: huecos y electrones fluyen desde los electrodos a las estructuras p y n bajo diferentes voltajes de electrodo. Cuando los huecos y los electrones se encuentran y se recombinan, los electrones caen a un nivel de energía más bajo y liberan energía en forma de fotones (los fotones son lo que a menudo llamamos luz).
La longitud de onda (color) de la luz que emite está determinada por la energía de banda prohibida de los materiales semiconductores que forman las estructuras p y n.
Dado que el silicio y el germanio son materiales de banda prohibida indirecta, a temperatura ambiente, la recombinación de electrones y huecos en estos materiales es una transición no radiativa. Estas transiciones no liberan fotones, sino que convierten la energía en energía térmica. Por lo tanto, los diodos de silicio y germanio no pueden emitir luz (emitirán luz a temperaturas específicas muy bajas, que deben detectarse en un ángulo especial, y el brillo de la luz no es obvio).
Los materiales utilizados en los diodos emisores de luz son todos materiales de banda prohibida directa, por lo que la energía se libera en forma de fotones. Estas energías de banda prohibidas corresponden a la energía luminosa en las bandas del infrarrojo cercano, visible o ultravioleta cercano.
Este modelo simula un LED que emite luz en la parte infrarroja del espectro electromagnético.
En las primeras etapas de desarrollo, los diodos emisores de luz que utilizaban arseniuro de galio (GaAs) solo podían emitir luz infrarroja o roja. Con el avance de la ciencia de los materiales, los diodos emisores de luz recientemente desarrollados pueden emitir ondas de luz con frecuencias cada vez más altas. Hoy en día se pueden fabricar diodos emisores de luz de varios colores.
Los diodos generalmente se construyen sobre un sustrato tipo N, con una capa de semiconductor tipo P depositada en su superficie y conectada entre sí con electrodos. Los sustratos tipo P son menos comunes, pero también se utilizan. Muchos diodos emisores de luz comerciales, especialmente GaN/InGaN, también utilizan sustratos de zafiro.
La mayoría de los materiales utilizados para fabricar LED tienen índices de refracción muy altos. Esto significa que la mayoría de las ondas de luz se reflejan de regreso al material en la interfaz con el aire. Por lo tanto, la extracción de ondas de luz es un tema importante para los LED, y mucha investigación y desarrollo se centra en este tema.
La principal diferencia entre los LED (diodos emisores de luz) y los diodos comunes es su material y estructura, lo que conduce a diferencias significativas en su eficiencia a la hora de convertir energía eléctrica en energía luminosa. Aquí hay algunos puntos clave para explicar por qué los LED pueden emitir luz y los diodos comunes no:
Diferentes materiales:Los LED utilizan materiales semiconductores III-V como arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de galio (GaP), nitruro de galio (GaN), etc. Estos materiales tienen una banda prohibida directa, lo que permite que los electrones salten directamente y liberen fotones (luz). Los diodos ordinarios suelen utilizar silicio o germanio, que tienen una banda prohibida indirecta, y el salto de electrones se produce principalmente en forma de liberación de energía térmica, en lugar de luz.
Estructura diferente:La estructura de los LED está diseñada para optimizar la generación y emisión de luz. Los LED suelen añadir dopantes específicos y estructuras de capas en la unión pn para promover la generación y liberación de fotones. Los diodos ordinarios están diseñados para optimizar la función de rectificación de la corriente y no se centran en la generación de luz.
Banda prohibida de energía:El material del LED tiene una gran energía de banda prohibida, lo que significa que la energía liberada por los electrones durante la transición es lo suficientemente alta como para aparecer en forma de luz. La energía de banda prohibida del material de los diodos ordinarios es pequeña y los electrones se liberan principalmente en forma de calor cuando hacen la transición.
Mecanismo de luminiscencia:Cuando la unión pn del LED está polarizada directamente, los electrones se mueven de la región n a la región p, se recombinan con los huecos y liberan energía en forma de fotones para generar luz. En los diodos ordinarios, la recombinación de electrones y huecos se produce principalmente en forma de recombinación no radiativa, es decir, la energía se libera en forma de calor.
Estas diferencias permiten que los LED emitan luz cuando funcionan, mientras que los diodos comunes no pueden.
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Hora de publicación: 01-ago-2024