Diodo emisor de luz

Partes de un LED convencional. Las superficies inferiores planas del amonio y el post incrustado dentro del epoxi actúan como anclas, para evitar que los conductores sean arrancados con fuerza a través de la tensión mecánica o vibración.

Imagen más cercana de un montaje de superficie LED

Una lámpara LED moderna en forma de bombilla con fregadero de calor de aluminio, una cúpula difusora de luz y la base de tornillo E27, utilizando una fuente de alimentación integrada que funciona en tensión de red

Un diodo emisor de luz (LED) es un dispositivo semiconductor que emite luz cuando la corriente fluye a través de él. Los electrones en el semiconductor se recombinan con huecos de electrones, liberando energía en forma de fotones. El color de la luz (correspondiente a la energía de los fotones) está determinado por la energía requerida por los electrones para cruzar la banda prohibida del semiconductor. La luz blanca se obtiene mediante el uso de múltiples semiconductores o una capa de fósforo emisor de luz en el dispositivo semiconductor.

Apareciendo como componentes electrónicos prácticos en 1962, los primeros LED emitían luz infrarroja (IR) de baja intensidad. Los LED infrarrojos se utilizan en circuitos de control remoto, como los que se utilizan con una amplia variedad de productos electrónicos de consumo. Los primeros LED de luz visible eran de baja intensidad y se limitaban a rojo. Los primeros LED se usaban a menudo como luces indicadoras, reemplazando pequeñas bombillas incandescentes y en pantallas de siete segmentos. Los desarrollos posteriores produjeron LED disponibles en longitudes de onda visibles, ultravioleta (UV) e infrarrojas, con una salida de luz alta, baja o intermedia, por ejemplo, LED blancos adecuados para la iluminación de habitaciones y áreas al aire libre. Los LED también han dado lugar a nuevos tipos de pantallas y sensores, mientras que sus altas tasas de conmutación son útiles en tecnología de comunicaciones avanzada con aplicaciones tan diversas como iluminación de aviación, luces de hadas, faros de automóviles, publicidad, iluminación general, señales de tráfico, flashes de cámaras, iluminación papel tapiz, luces de cultivo hortícola y dispositivos médicos.

Los LED tienen muchas ventajas sobre las fuentes de luz incandescente, incluido un menor consumo de energía, una vida útil más larga, una mayor robustez física, un tamaño más pequeño y una conmutación más rápida. A cambio de estos atributos generalmente favorables, las desventajas de los LED incluyen limitaciones eléctricas para el bajo voltaje y, en general, para la alimentación de CC (no CA), la incapacidad de proporcionar una iluminación constante de una fuente de suministro eléctrico pulsante de CC o CA, y una temperatura máxima de funcionamiento y almacenamiento menores. la temperatura. A diferencia de los LED, las lámparas incandescentes pueden funcionar intrínsecamente con prácticamente cualquier voltaje de suministro, pueden utilizar corriente alterna o continua de manera intercambiable y proporcionarán una iluminación constante cuando se alimentan con corriente alterna o continua pulsante, incluso a una frecuencia tan baja como 50 Hz. Los LED generalmente necesitan componentes de soporte electrónico para funcionar, mientras que una bombilla incandescente puede funcionar y generalmente funciona directamente desde una fuente de alimentación de CC o CA no regulada.

Como transductores de electricidad en luz, los LED funcionan al revés que los fotodiodos.

Historia

Descubrimientos y primeros dispositivos

Electroluminiscencia verde desde un punto de contacto en un cristal de SiC recrea el experimento original de la Ronda desde 1907.

La electroluminiscencia como fenómeno fue descubierta en 1907 por el experimentador inglés H. J. Round de Marconi Labs, utilizando un cristal de carburo de silicio y un detector de bigotes de gato. El inventor ruso Oleg Losev informó sobre la creación del primer LED en 1927. Su investigación se distribuyó en revistas científicas soviéticas, alemanas y británicas, pero no se hizo ningún uso práctico del descubrimiento durante varias décadas.

En 1936, Georges Destriau observó que se podía producir electroluminiscencia cuando se suspendía polvo de sulfuro de zinc (ZnS) en un aislante y se le aplicaba un campo eléctrico alterno. En sus publicaciones, Destriau a menudo se refería a la luminiscencia como Losev-Light. Destriau trabajó en los laboratorios de Madame Marie Curie, también una de las primeras pioneras en el campo de la luminiscencia con investigaciones sobre el radio.

El húngaro Zoltán Bay junto con György Szigeti se adelantaron a la iluminación LED en Hungría en 1939 al patentar un dispositivo de iluminación basado en carburo de silicio, con una opción de carburo de boro, que emitía blanco, blanco amarillento o blanco verdoso dependiendo de las impurezas presentes.

Kurt Lehovec, Carl Accardo y Edward Jamgochian explicaron estos primeros LED en 1951 utilizando un aparato que empleaba cristales de SiC con una fuente de corriente de una batería o un generador de impulsos y comparándolos con una variante de cristal puro en 1953.

Rubin Braunstein, de Radio Corporation of America, informó sobre la emisión infrarroja del arseniuro de galio (GaAs) y otras aleaciones semiconductoras en 1955. Braunstein observó la emisión infrarroja generada por estructuras de diodos simples usando antimoniuro de galio (GaSb), GaAs, fosfuro de indio (InP) y aleaciones de silicio-germanio (SiGe) a temperatura ambiente y a 77 kelvin.

En 1957, Braunstein demostró además que los dispositivos rudimentarios podían utilizarse para comunicaciones no radioeléctricas a corta distancia. Como señaló Kroemer Braunstein, "...había establecido un enlace de comunicaciones ópticas simple: la música que salía de un tocadiscos se usaba a través de dispositivos electrónicos adecuados para modular la corriente directa de un diodo de GaAs. La luz emitida fue detectada por un diodo PbS a cierta distancia. Esta señal se alimentaba a un amplificador de audio y se reproducía en un altavoz. Interceptar el rayo detuvo la música. Nos divertimos mucho jugando con esta configuración." Esta configuración presagiaba el uso de LED para aplicaciones de comunicación óptica.

A 1962 Texas Instruments SNX-100 GaAs LED contenido en un caso de metal transistor TO-18

En septiembre de 1961, mientras trabajaban en Texas Instruments en Dallas, Texas, James R. Biard y Gary Pittman descubrieron la emisión de luz infrarroja cercana (900 nm) de un diodo de túnel que habían construido sobre un sustrato de GaAs. En octubre de 1961, habían demostrado una emisión de luz eficiente y un acoplamiento de señal entre un emisor de luz de unión p-n de GaAs y un fotodetector de semiconductor aislado eléctricamente. El 8 de agosto de 1962, Biard y Pittman presentaron una patente titulada "Diodo radiante semiconductor" según sus hallazgos, que describieron un LED de unión p-n con difusión de zinc con un contacto de cátodo espaciado para permitir la emisión eficiente de luz infrarroja con polarización directa. Después de establecer la prioridad de su trabajo en base a cuadernos de ingeniería anteriores a las presentaciones de G.E. Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs y Lincoln Lab en el MIT, la oficina de patentes de EE. UU. otorgó a los dos inventores la patente del diodo emisor de luz infrarroja de GaAs (patente de EE. UU. US3293513), el primer LED práctico. Inmediatamente después de presentar la patente, Texas Instruments (TI) inició un proyecto para fabricar diodos infrarrojos. En octubre de 1962, TI anunció el primer producto LED comercial (el SNX-100), que empleaba un cristal de GaAs puro para emitir una salida de luz de 890 nm. En octubre de 1963, TI anunció el primer LED hemisférico comercial, el SNX-110.

J. W. Allen y R. J. Cherry demostraron el primer LED de espectro visible (rojo) a fines de 1961 en SERL en Baldock, Reino Unido. Este trabajo se informó en el Journal of Physics and Chemistry of Solids, volumen 23, número 5, mayo de 1962, páginas 509–511. Nick Holonyak demostró otro dispositivo temprano el 9 de octubre de 1962, mientras trabajaba para General Electric en Syracuse, Nueva York. Holonyak y Bevacqua informaron sobre este LED en la revista Applied Physics Letters el 1 de diciembre de 1962. M. George Craford, exestudiante graduado de Holonyak, inventó el primer LED amarillo y mejoró el brillo del rojo y el rojo. -LED naranja por un factor de diez en 1972. En 1976, T. P. Pearsall diseñó los primeros LED de alto brillo y alta eficiencia para telecomunicaciones de fibra óptica al inventar nuevos materiales semiconductores específicamente adaptados a las longitudes de onda de transmisión de fibra óptica.

Desarrollo comercial inicial

Los primeros LED comerciales de longitud de onda visible se usaban comúnmente como reemplazo de las lámparas indicadoras incandescentes y de neón, y en pantallas de siete segmentos, primero en equipos costosos, como equipos de prueba de laboratorio y electrónicos, y luego en aparatos como calculadoras, televisores., radios, teléfonos, así como relojes (ver lista de usos de la señal). Hasta 1968, los LED visibles e infrarrojos eran extremadamente costosos, del orden de los 200 dólares estadounidenses por unidad, por lo que tenían poco uso práctico.

Hewlett-Packard (HP) participó en la investigación y el desarrollo (I+D) de LED prácticos entre 1962 y 1968, a cargo de un equipo de investigación dirigido por Howard C. Borden, Gerald P. Pighini en HP Associates y HP Labs. Durante este tiempo, HP colaboró con Monsanto Company en el desarrollo de los primeros productos LED utilizables. Los primeros productos LED utilizables fueron la pantalla LED de HP y la lámpara indicadora LED de Monsanto, ambos lanzados en 1968. Monsanto fue la primera organización en producir LED visibles en masa, utilizando GaAsP en 1968 para producir LED rojos adecuados para indicadores. Monsanto había ofrecido anteriormente suministrar GaAsP a HP, pero HP decidió hacer crecer su propio GaAsP. En febrero de 1969, Hewlett-Packard presentó el indicador numérico modelo 5082-7000 de HP, el primer dispositivo LED que utiliza tecnología de circuito integrado (circuito LED integrado). Fue la primera pantalla LED inteligente y supuso una revolución en la tecnología de pantallas digitales, reemplazó al tubo Nixie y se convirtió en la base para las pantallas LED posteriores.

En la década de 1970, Fairchild Optoelectronics produjo dispositivos LED comercialmente exitosos a menos de cinco centavos cada uno. Estos dispositivos empleaban chips semiconductores compuestos fabricados con el proceso planar (desarrollado por Jean Hoerni). La combinación de procesamiento planar para la fabricación de chips y métodos de empaquetado innovadores permitió al equipo de Fairchild dirigido por el pionero de la optoelectrónica Thomas Brandt lograr las reducciones de costos necesarias. Los productores de LED continúan utilizando estos métodos.

Pantalla LED de una calculadora científica TI-30 (ca. 1978), que utiliza lentes de plástico para aumentar el tamaño del dígito visible

X-Ray de una pantalla de calculadora LED de 8 dígitos de 1970

Los primeros LED rojos eran lo suficientemente brillantes solo para usarlos como indicadores, ya que la salida de luz no era suficiente para iluminar un área. Las lecturas en las calculadoras eran tan pequeñas que se construyeron lentes de plástico sobre cada dígito para hacerlos legibles. Más tarde, otros colores estuvieron ampliamente disponibles y aparecieron en electrodomésticos y equipos.

Los primeros LED se empaquetaban en cajas de metal similares a las de los transistores, con una ventana o lente de vidrio para dejar salir la luz. Los indicadores LED modernos se empaquetan en cajas de plástico moldeadas transparentes, de forma tubular o rectangular, y a menudo se tiñen para que coincidan con el color del dispositivo. Los dispositivos infrarrojos pueden teñirse para bloquear la luz visible. Se han adaptado paquetes más complejos para una disipación de calor eficiente en LED de alta potencia. Los LED montados en superficie reducen aún más el tamaño del paquete. Los LED destinados a usarse con cables de fibra óptica pueden estar provistos de un conector óptico.

LED azul

El primer LED azul-violeta con nitruro de galio dopado con magnesio fue fabricado en la Universidad de Stanford en 1972 por Herb Maruska y Wally Rhines, estudiantes de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales. En ese momento, Maruska estaba de licencia de RCA Laboratories, donde colaboró con Jacques Pankove en trabajos relacionados. En 1971, un año después de que Maruska se fuera a Stanford, sus colegas de RCA Pankove y Ed Miller demostraron la primera electroluminiscencia azul de nitruro de galio dopado con zinc, aunque el dispositivo posterior que Pankove y Miller construyeron, el primer diodo emisor de luz de nitruro de galio real, emitió luz verde. En 1974, la Oficina de Patentes de EE. UU. Otorgó a Maruska, Rhines y al profesor de Stanford David Stevenson una patente por su trabajo en 1972 (Patente de EE. UU. US3819974 A). Hoy en día, el dopaje con magnesio del nitruro de galio sigue siendo la base de todos los diodos láser y LED azules comerciales. A principios de la década de 1970, estos dispositivos eran demasiado tenues para un uso práctico y la investigación sobre dispositivos de nitruro de galio se desaceleró.

En agosto de 1989, Cree presentó el primer LED azul disponible en el mercado basado en el semiconductor de banda prohibida indirecta, el carburo de silicio (SiC). Los LED de SiC tenían una eficiencia muy baja, no más del 0,03 %, pero emitían en la porción azul del espectro de luz visible.

A fines de la década de 1980, avances clave en el crecimiento epitaxial de GaN y el dopaje de tipo p dieron paso a la era moderna de los dispositivos optoelectrónicos basados en GaN. Sobre esta base, Theodore Moustakas de la Universidad de Boston patentó un método para producir LED azules de alto brillo mediante un nuevo proceso de dos pasos en 1991.

Dos años más tarde, en 1993, Shuji Nakamura, de Nichia Corporation, hizo una demostración de los LED azules de alto brillo mediante un proceso de crecimiento de nitruro de galio. Paralelamente, Isamu Akasaki e Hiroshi Amano de la Universidad de Nagoya estaban trabajando en el desarrollo de la importante deposición de GaN en sustratos de zafiro y la demostración del dopaje de tipo p de GaN. Este nuevo desarrollo revolucionó la iluminación LED, haciendo prácticas las fuentes de luz azul de alta potencia, lo que llevó al desarrollo de tecnologías como Blu-ray.

Nakamura recibió el Premio de Tecnología del Milenio 2006 por su invento. Nakamura, Hiroshi Amano e Isamu Akasaki recibieron el Premio Nobel de Física en 2014 por la invención del LED azul. En 2015, un tribunal de EE. UU. dictaminó que tres empresas habían infringido la patente anterior de Moustakas y les ordenó pagar derechos de licencia de no menos de 13 millones de dólares estadounidenses.

En 1995, Alberto Barbieri en el Laboratorio de la Universidad de Cardiff (GB) investigó la eficiencia y confiabilidad de los LED de alto brillo y demostró un "contacto transparente" LED con óxido de indio y estaño (ITO) sobre (AlGaInP/GaAs).

En 2001 y 2002, se demostraron con éxito procesos para hacer crecer LED de nitruro de galio (GaN) en silicio. En enero de 2012, Osram hizo una demostración comercial de LED de InGaN de alta potencia cultivados en sustratos de silicio, y Plessey Semiconductors produce LED de GaN sobre silicio. A partir de 2017, algunos fabricantes están utilizando SiC como sustrato para la producción de LED, pero el zafiro es más común, ya que tiene las propiedades más similares a las del nitruro de galio, lo que reduce la necesidad de modelar la oblea de zafiro (las obleas estampadas se conocen como epi). obleas). Samsung, la Universidad de Cambridge y Toshiba están investigando GaN en LED de Si. Toshiba ha detenido la investigación, posiblemente debido a los bajos rendimientos. Algunos optan por la epitaxia, que es difícil en el silicio, mientras que otros, como la Universidad de Cambridge, eligen una estructura multicapa para reducir el desajuste de la red (cristalina) y las diferentes relaciones de expansión térmica para evitar el agrietamiento del LED. chip a altas temperaturas (por ejemplo, durante la fabricación), reduce la generación de calor y aumenta la eficiencia luminosa. El patrón de sustrato de zafiro se puede realizar con litografía de nanoimpresión.

GaN-on-Si es difícil pero deseable, ya que aprovecha la infraestructura de fabricación de semiconductores existente. Permite el empaquetado a nivel de oblea de troqueles de LED, lo que da como resultado paquetes de LED extremadamente pequeños.

El GaN a menudo se deposita mediante epitaxia en fase de vapor orgánico metalúrgico (MOCVD) y también utiliza Lift-off.

LED blancos y el avance de la iluminación

Aunque se puede crear luz blanca usando LED individuales rojos, verdes y azules, esto da como resultado una mala reproducción del color, ya que solo se emiten tres bandas estrechas de longitudes de onda de luz. El logro de los LED azules de alta eficiencia fue seguido rápidamente por el desarrollo del primer LED blanco. En este dispositivo, un Y
₃Al
₅O
₁₂:Ce (conocido como "YAG" o Ce:YAG fósforo) El recubrimiento de fósforo dopado con cerio produce luz amarilla a través de la fluorescencia. La combinación de ese amarillo con la luz azul restante parece blanca a la vista. El uso de diferentes fósforos produce luz verde y roja a través de la fluorescencia. La mezcla resultante de rojo, verde y azul se percibe como luz blanca, con una reproducción cromática mejorada en comparación con las longitudes de onda de la combinación de fósforo azul LED/YAG.

Ilustración de la ley de Haitz, mostrando mejora en la salida de luz por LED con el tiempo, con una escala logarítmica en el eje vertical

Los primeros LED blancos eran caros e ineficientes. La salida de luz luego aumentó exponencialmente. Las últimas investigaciones y desarrollos han sido propagadas por fabricantes japoneses como Panasonic y Nichia, y por fabricantes coreanos y chinos como Samsung, Solstice, Kingsun, Hoyol y otros. Esta tendencia en el aumento de la producción se ha denominado ley de Haitz en honor a Roland Haitz.

La salida de luz y la eficiencia de los LED azules y casi ultravioleta aumentaron y el costo de los dispositivos confiables disminuyó. Esto condujo a LED de luz blanca de potencia relativamente alta para la iluminación, que están reemplazando la iluminación incandescente y fluorescente.

En 2014, se demostró que los LED blancos experimentales producen 303 lúmenes por vatio de electricidad (lm/W); algunos pueden durar hasta 100.000 horas. Los LED disponibles comercialmente tienen una eficiencia de hasta 223 lm/W a partir de 2018. Nichia logró un récord anterior de 135 lm/W en 2010. En comparación con las bombillas incandescentes, este es un gran aumento en la eficiencia eléctrica, y aunque los LED son más caras de comprar, el costo total de por vida es significativamente más barato que el de las bombillas incandescentes.

El chip LED está encapsulado dentro de un pequeño molde blanco de plástico. Se puede encapsular con resina (a base de poliuretano), silicona o fósforo YAG dopado con cerio que contiene epoxi (en polvo). Después de permitir que los solventes se evaporen, los LED a menudo se prueban y se colocan en cintas para equipos de colocación SMT para usar en la producción de bombillas LED. La encapsulación se realiza después del sondeo, el troceado, la transferencia de matriz de la oblea al paquete y la unión de cables o el montaje del chip invertido, tal vez utilizando óxido de indio y estaño, un conductor eléctrico transparente. En este caso, los cables de unión se unen a la película de ITO que se ha depositado en los LED. Algo de "fósforo remoto" Las bombillas de luz LED usan una sola cubierta de plástico con fósforo YAG para varios LED azules, en lugar de usar recubrimientos de fósforo en los LED blancos de un solo chip.

La temperatura del fósforo durante el funcionamiento y cómo se aplica limita el tamaño de un LED. Los LED blancos empaquetados a nivel de oblea permiten LED extremadamente pequeños.

Física de la producción y emisión de luz

En un diodo emisor de luz, la recombinación de electrones y huecos de electrones en un semiconductor produce luz (ya sea infrarroja, visible o ultravioleta), un proceso denominado "electroluminiscencia". La longitud de onda de la luz depende de la banda prohibida de energía de los semiconductores utilizados. Dado que estos materiales tienen un alto índice de refracción, se requieren características de diseño de los dispositivos, como recubrimientos ópticos especiales y forma de matriz, para emitir luz de manera eficiente.

A diferencia de un láser, la luz emitida por un LED no es ni espectralmente coherente ni muy monocromática. Su espectro es lo suficientemente estrecho como para que al ojo humano le parezca un color puro (saturado). Además, a diferencia de la mayoría de los láseres, su radiación no es espacialmente coherente, por lo que no puede acercarse a la característica de muy alta intensidad de los láseres.

Colores

Mediante la selección de diferentes materiales semiconductores, se pueden fabricar LED de un solo color que emiten luz en una banda estrecha de longitudes de onda desde el infrarrojo cercano hasta el espectro visible y el ultravioleta. A medida que las longitudes de onda se acortan, debido a la mayor brecha de banda de estos semiconductores, aumenta el voltaje operativo del LED.

Azul y ultravioleta

LED azul

Los LED azules tienen una región activa que consta de uno o más pozos cuánticos de InGaN intercalados entre capas más gruesas de GaN, llamadas capas de revestimiento. Al variar la fracción relativa de In/Ga en los pozos cuánticos de InGaN, la emisión de luz puede, en teoría, variar de violeta a ámbar.

El nitruro de galio y aluminio (AlGaN) de una fracción variable de Al/Ga se puede utilizar para fabricar el revestimiento y las capas de pozos cuánticos para LED ultravioleta, pero estos dispositivos aún no han alcanzado el nivel de eficiencia y madurez tecnológica de InGaN/GaN blue/ dispositivos verdes. Si se usa GaN sin alear en este caso para formar las capas activas de pozos cuánticos, el dispositivo emite luz ultravioleta cercana con una longitud de onda máxima centrada alrededor de 365 nm. Los LED verdes fabricados a partir del sistema InGaN/GaN son mucho más eficientes y brillantes que los LED verdes producidos con sistemas de materiales sin nitruro, pero los dispositivos prácticos siguen mostrando una eficiencia demasiado baja para aplicaciones de alto brillo.

Con AlGaN y AlGaInN, se pueden lograr longitudes de onda incluso más cortas. Los emisores de luz ultravioleta cercana a longitudes de onda de alrededor de 360 a 395 nm ya son baratos y se encuentran a menudo, por ejemplo, como reemplazos de lámparas de luz negra para la inspección de marcas de agua ultravioleta contra la falsificación en documentos y billetes de banco, y para el curado ultravioleta. Los diodos de longitud de onda más corta y sustancialmente más caros están disponibles comercialmente para longitudes de onda de hasta 240 nm. Dado que la fotosensibilidad de los microorganismos coincide aproximadamente con el espectro de absorción del ADN, con un pico de alrededor de 260 nm, se espera que los posibles dispositivos de desinfección y esterilización emitan LED UV a 250–270 nm. Investigaciones recientes han demostrado que los LED UVA disponibles en el mercado (365 nm) ya son dispositivos eficaces de desinfección y esterilización. Las longitudes de onda UV-C se obtuvieron en laboratorios utilizando nitruro de aluminio (210 nm), nitruro de boro (215 nm) y diamante (235 nm).

Blanco

Hay dos formas principales de producir diodos emisores de luz blanca. Una es usar LED individuales que emitan tres colores primarios (rojo, verde y azul) y luego mezclar todos los colores para formar luz blanca. La otra es utilizar un material de fósforo para convertir la luz monocromática de un LED azul o UV en una luz blanca de amplio espectro, similar a una lámpara fluorescente. El fósforo amarillo son cristales de YAG dopados con cerio suspendidos en el paquete o recubiertos en el LED. Este fósforo YAG hace que los LED blancos se vean amarillos cuando están apagados, y el espacio entre los cristales permite que pase algo de luz azul en los LED con conversión de fósforo parcial. Alternativamente, los LED blancos pueden usar otros fósforos como el fluorosilicato de potasio (PFS) dopado con manganeso (IV) u otros fósforos de ingeniería. PFS ayuda en la generación de luz roja y se utiliza junto con el fósforo Ce:YAG convencional. En los LED con fósforo PFS, algo de luz azul pasa a través de los fósforos, el fósforo Ce:YAG convierte la luz azul en luz verde y roja (amarilla), y el fósforo PFS convierte la luz azul en luz roja. El color, el espectro de emisión o la temperatura de color de los LED convertidos con fósforo blanco y otros LED convertidos con fósforo se pueden controlar cambiando la concentración de varios fósforos que forman una mezcla de fósforo utilizada en un paquete de LED.

La 'blancura' de la luz producida está diseñada para adaptarse al ojo humano. Debido al metamerismo, es posible tener espectros muy diferentes que parezcan blancos. La apariencia de los objetos iluminados por esa luz puede variar a medida que varía el espectro. Este es el tema de la reproducción del color, bastante separado de la temperatura del color. Un objeto naranja o cian podría aparecer con el color equivocado y mucho más oscuro ya que el LED o fósforo no emite la longitud de onda que refleja. Los LED con mejor reproducción cromática utilizan una mezcla de fósforos, lo que da como resultado una menor eficiencia y una mejor reproducción cromática.

Los primeros diodos emisores de luz (LED) blancos se pusieron a la venta en el otoño de 1996.

Sistemas RGB

Curvas espectrales combinadas para LEDs semiconductores rojos de estado sólido azul, verde amarillo y alto brillo. El ancho de banda espectral FWHM es aproximadamente de 24 a 27 nm para los tres colores.

RGB LED

Mezclar fuentes rojas, verdes y azules para producir luz blanca requiere circuitos electrónicos para controlar la mezcla de los colores. Dado que los LED tienen patrones de emisión ligeramente diferentes, el balance de color puede cambiar según el ángulo de visión, incluso si las fuentes RGB están en un solo paquete, por lo que los diodos RGB rara vez se utilizan para producir iluminación blanca. No obstante, este método tiene muchas aplicaciones debido a la flexibilidad de mezclar diferentes colores y, en principio, este mecanismo también tiene una mayor eficiencia cuántica en la producción de luz blanca.

Hay varios tipos de LED blancos multicolores: LED blancos di-, tri- y tetracromáticos. Varios factores clave que juegan entre estos diferentes métodos incluyen la estabilidad del color, la capacidad de reproducción del color y la eficacia luminosa. A menudo, una mayor eficiencia significa una menor reproducción cromática, lo que presenta una compensación entre la eficacia luminosa y la reproducción cromática. Por ejemplo, los LED blancos dicromáticos tienen la mejor eficacia luminosa (120 lm/W), pero la menor capacidad de reproducción cromática. Aunque los LED blancos tetracromáticos tienen una excelente capacidad de reproducción cromática, a menudo tienen poca eficacia luminosa. Los LED blancos tricromáticos están en el medio y tienen una buena eficacia luminosa (>70 lm/W) y una buena capacidad de reproducción cromática.

Uno de los desafíos es el desarrollo de LED verdes más eficientes. El máximo teórico para los LED verdes es de 683 lúmenes por vatio, pero a partir de 2010, pocos LED verdes superan incluso los 100 lúmenes por vatio. Los LED azul y rojo se acercan a sus límites teóricos.

Los LED multicolores ofrecen un medio para formar luz de diferentes colores. La mayoría de los colores perceptibles se pueden formar mezclando diferentes cantidades de tres colores primarios. Esto permite un control de color dinámico preciso. Su poder de emisión decae exponencialmente con el aumento de la temperatura, dando como resultado un cambio sustancial en la estabilidad del color. Tales problemas inhiben el uso industrial. Los LED multicolores sin fósforos no pueden proporcionar una buena reproducción cromática porque cada LED es una fuente de banda estrecha. Los LED sin fósforo, si bien son una solución más pobre para la iluminación general, son la mejor solución para pantallas, ya sea con retroiluminación de LCD o con píxeles basados en LED directos.

Atenuar una fuente de LED multicolor para que coincida con las características de las lámparas incandescentes es difícil porque las variaciones de fabricación, la edad y la temperatura cambian la salida del valor de color real. Para emular la apariencia de atenuación de lámparas incandescentes, es posible que se requiera un sistema de retroalimentación con sensor de color para monitorear y controlar activamente el color.

LED basados en fósforo

Espectro de un LED blanco que muestra la luz azul emitida directamente por el LED basado en GaN (peak a alrededor de 465 nm) y la luz de banda ancha de Stokes emitida por el Ce³⁺:Fósforo YAG, que emite aproximadamente 500–700 nm

Este método consiste en recubrir LED de un color (principalmente LED azules hechos de InGaN) con fósforos de diferentes colores para formar luz blanca; los LED resultantes se denominan LED blancos basados en fósforo o convertidos en fósforo (pcLED). Una fracción de la luz azul sufre el cambio de Stokes, que la transforma de longitudes de onda más cortas a más largas. Dependiendo del color del LED original, se utilizan varios fósforos de color. El uso de varias capas de fósforo de distintos colores amplía el espectro emitido, elevando efectivamente el índice de reproducción cromática (CRI).

Los LED basados en fósforo tienen pérdidas de eficiencia debido a la pérdida de calor del cambio de Stokes y también a otros problemas relacionados con el fósforo. Sus eficacias luminosas en comparación con los LED normales dependen de la distribución espectral de la salida de luz resultante y de la longitud de onda original del propio LED. Por ejemplo, la eficacia luminosa de un LED blanco basado en fósforo amarillo típico de YAG varía de 3 a 5 veces la eficacia luminosa del LED azul original debido a la mayor sensibilidad del ojo humano al amarillo que al azul (como se modela en el función de luminosidad). Debido a la simplicidad de fabricación, el método del fósforo sigue siendo el método más popular para fabricar LED blancos de alta intensidad. El diseño y la producción de una fuente de luz o dispositivo de iluminación utilizando un emisor monocromático con conversión de fósforo es más simple y económico que un sistema RGB complejo, y la mayoría de los LED blancos de alta intensidad que se encuentran actualmente en el mercado se fabrican mediante conversión de luz de fósforo.

Entre los desafíos que se enfrentan para mejorar la eficiencia de las fuentes de luz blanca basadas en LED se encuentra el desarrollo de fósforos más eficientes. A partir de 2010, el fósforo amarillo más eficiente sigue siendo el fósforo YAG, con menos del 10% de pérdida por desplazamiento de Stokes. Las pérdidas atribuibles a las pérdidas ópticas internas debidas a la reabsorción en el chip LED y en el propio encapsulado LED suelen representar otro 10 % a 30 % de pérdida de eficiencia. En la actualidad, en el área del desarrollo de LED de fósforo, se está dedicando mucho esfuerzo a optimizar estos dispositivos para obtener una salida de luz más alta y temperaturas de operación más altas. Por ejemplo, se puede aumentar la eficiencia adaptando un mejor diseño del paquete o usando un tipo de fósforo más adecuado. El proceso de recubrimiento de conformación se usa con frecuencia para abordar el problema de la variación del espesor del fósforo.

Algunos LED blancos basados en fósforo encapsulan LED azules InGaN dentro de epoxi recubierto de fósforo. Alternativamente, el LED podría combinarse con un fósforo remoto, una pieza de policarbonato preformada recubierta con el material de fósforo. Los fósforos remotos brindan una luz más difusa, lo cual es deseable para muchas aplicaciones. Los diseños de fósforo remoto también son más tolerantes a las variaciones en el espectro de emisiones de LED. Un material de fósforo amarillo común es el granate de itrio y aluminio dopado con cerio (Ce³⁺:YAG).

Los LED blancos también se pueden fabricar mediante el recubrimiento de LED casi ultravioleta (NUV) con una mezcla de fósforos a base de europio de alta eficiencia que emiten rojo y azul, además de sulfuro de zinc dopado con cobre y aluminio (ZnS:Cu, Al) que emite verde. Este es un método análogo a la forma en que funcionan las lámparas fluorescentes. Este método es menos eficiente que los LED azules con fósforo YAG:Ce, ya que el cambio de Stokes es más grande, por lo que se convierte más energía en calor, pero produce luz con mejores características espectrales, lo que hace que el color sea mejor. Debido a la mayor salida de radiación de los LED ultravioleta que de los azules, ambos métodos ofrecen un brillo comparable. Una preocupación es que la luz ultravioleta pueda filtrarse desde una fuente de luz que no funcione correctamente y causar daño a los ojos o la piel humanos.

Otros LED blancos

Otro método utilizado para producir LED de luz blanca experimentales no utilizó ningún fósforo y se basó en seleniuro de zinc (ZnSe) cultivado homoepitaxialmente en un sustrato de ZnSe que emitía simultáneamente luz azul desde su región activa y luz amarilla desde el sustrato.

Se está utilizando un nuevo estilo de obleas compuestas de nitruro de galio sobre silicio (GaN-on-Si) para producir LED blancos con obleas de silicio de 200 mm. Esto evita el típico y costoso sustrato de zafiro en tamaños de oblea relativamente pequeños de 100 o 150 mm. El aparato de zafiro debe acoplarse con un colector similar a un espejo para reflejar la luz que, de lo contrario, se desperdiciaría. Se predijo que desde 2020, el 40 % de todos los LED de GaN se fabrican con GaN-on-Si. La fabricación de material de zafiro grande es difícil, mientras que el material de silicio grande es más barato y más abundante. Las empresas de LED que pasan de usar zafiro a silicio deberían ser una inversión mínima.

Diodos orgánicos emisores de luz (OLED)

En un diodo orgánico emisor de luz (OLED), el material electroluminiscente que compone la capa emisiva del diodo es un compuesto orgánico. El material orgánico es eléctricamente conductor debido a la deslocalización de los electrones pi provocada por la conjugación sobre toda o parte de la molécula, por lo que el material funciona como un semiconductor orgánico. Los materiales orgánicos pueden ser pequeñas moléculas orgánicas en fase cristalina o polímeros.

Las ventajas potenciales de los OLED incluyen pantallas delgadas y de bajo costo con un bajo voltaje de conducción, amplio ángulo de visión y alto contraste y gama de colores. Los LED de polímero tienen el beneficio adicional de pantallas imprimibles y flexibles. Los OLED se han utilizado para hacer pantallas visuales para dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos celulares, cámaras digitales, iluminación y televisores.

Tipos

Los LED se producen en una variedad de formas y tamaños. El color de la lente plástica es a menudo el mismo que el color real de la luz emitida, pero no siempre. Por ejemplo, el plástico púrpura se utiliza a menudo para LEDs infrarrojos, y la mayoría de los dispositivos azules tienen carcasas incoloras. Los LED modernos de alta potencia como los utilizados para iluminación y retroiluminación se encuentran generalmente en paquetes de tecnología de montaje superficial (SMT) (no se muestra).

Los LED se fabrican en diferentes paquetes para diferentes aplicaciones. Se pueden empaquetar una o varias uniones de LED en un dispositivo en miniatura para usar como indicador o lámpara piloto. Una matriz de LED puede incluir circuitos de control dentro del mismo paquete, que pueden variar desde una simple resistencia, control de parpadeo o cambio de color, o un controlador direccionable para dispositivos RGB. Los dispositivos emisores de luz blanca de mayor potencia se montarán en disipadores de calor y se utilizarán para la iluminación. Las pantallas alfanuméricas en matriz de puntos o formatos de barra están ampliamente disponibles. Los paquetes especiales permiten la conexión de LED a fibras ópticas para enlaces de comunicación de datos de alta velocidad.

Miniatura

Imagen de LEDs de montaje en superficie miniatura en tamaños más comunes. Pueden ser mucho más pequeños que un tradicional 5mm tipo de lámpara LED, mostrado en la esquina superior izquierda.

Muy pequeño (1.6×1.6×0.35mm) rojo, verde y azul de superficie de montaje paquete LED miniatura con detalles de unión de alambre de oro.

Estos son en su mayoría LED de matriz única que se usan como indicadores y vienen en varios tamaños, desde 2 mm a 8 mm, en paquetes de montaje en superficie y de orificio pasante. Las clasificaciones de corriente típicas oscilan entre alrededor de 1 mA y más de 20 mA. Múltiples troqueles LED unidos a una cinta trasera flexible forman una tira de luz LED.

Las formas comunes de los envases son redondas, con una parte superior abovedada o plana, rectangulares con una parte superior plana (como se usa en las pantallas de gráficos de barras) y triangulares o cuadradas con una parte superior plana. El encapsulado también puede ser transparente o teñido para mejorar el contraste y el ángulo de visión. Los dispositivos infrarrojos pueden tener un tinte negro para bloquear la luz visible mientras pasan la radiación infrarroja.

Los LED de rendimiento ultra alto están diseñados para verse bajo la luz solar directa.

Los LED de 5 V y 12 V son LED en miniatura ordinarios que tienen una resistencia en serie para la conexión directa a un 5 V o 12 Suministro V.

Alta potencia

Diódos de alta potencia de emisión de luz unidos a una base de estrellas LED (Luxeon, Lumileds)

Los LED de alta potencia (HP-LED) o los LED de alto rendimiento (HO-LED) pueden funcionar con corrientes de cientos de mA a más de un amperio, en comparación con las decenas de mA de otros LED. Algunos pueden emitir más de mil lúmenes. Se han alcanzado densidades de potencia LED de hasta 300 W/cm². Dado que el sobrecalentamiento es destructivo, los HP-LED deben montarse en un disipador de calor para permitir la disipación del calor. Si no se elimina el calor de un HP-LED, el dispositivo falla en segundos. Un HP-LED a menudo puede reemplazar una bombilla incandescente en una linterna, o configurarse en una matriz para formar una potente lámpara LED.

Algunos HP-LED conocidos en esta categoría son la serie Nichia 19, Lumileds Rebel Led, Osram Opto Semiconductors Golden Dragon y Cree X-lamp. A partir de septiembre de 2009, algunos HP-LED fabricados por Cree ahora superan los 105 lm/W.

Ejemplos de la ley de Haitz, que predice un aumento exponencial en la salida de luz y la eficacia de los LED a lo largo del tiempo, son los LED de la serie CREE XP-G, que lograron 105 lm/W en 2009 y la serie Nichia 19 con una eficacia típica de 140 lm/W, lanzada en 2010.

Accionada por CA

Los LED desarrollados por Seoul Semiconductor pueden funcionar con alimentación de CA sin un convertidor de CC. Para cada medio ciclo, parte del LED emite luz y parte se oscurece, y esto se invierte durante el siguiente medio ciclo. La eficiencia de este tipo de HP-LED suele ser de 40 lm/W. Una gran cantidad de elementos LED en serie pueden operar directamente desde el voltaje de la línea. En 2009, Seoul Semiconductor lanzó un LED de alto voltaje de CC, llamado 'Acrich MJT', capaz de funcionar con alimentación de CA con un circuito de control simple. La disipación de baja potencia de estos LED les brinda más flexibilidad que el diseño LED de CA original.

Variaciones específicas de la aplicación

Intermitente

Los LED parpadeantes se utilizan como indicadores de búsqueda de atención sin necesidad de dispositivos electrónicos externos. Los LED parpadeantes se parecen a los LED estándar, pero contienen un regulador de voltaje integrado y un circuito multivibrador que hace que el LED parpadee con un período típico de un segundo. En los LED de lente difusa, este circuito es visible como un pequeño punto negro. La mayoría de los LED parpadeantes emiten luz de un color, pero los dispositivos más sofisticados pueden parpadear entre varios colores e incluso desvanecerse a través de una secuencia de colores usando la mezcla de colores RGB. Los LED SMD intermitentes en el 0805 y otros formatos de tamaño están disponibles desde principios de 2019.

Bicolor

Los LED bicolores contienen dos emisores de LED diferentes en una caja. Hay dos tipos de estos. Un tipo consta de dos troqueles conectados a los mismos dos conductores antiparalelos entre sí. El flujo de corriente en una dirección emite un color y la corriente en la dirección opuesta emite el otro color. El otro tipo consta de dos troqueles con cables separados para ambos troqueles y otro cable para ánodo o cátodo común para que puedan controlarse de forma independiente. La combinación bicolor más común es rojo/verde tradicional. Otros incluyen ámbar/verde tradicional, rojo/verde puro, rojo/azul y azul/verde puro.

RGB tricolor

Los LED tricolores contienen tres emisores de LED diferentes en una caja. Cada emisor está conectado a un cable separado para que puedan controlarse de forma independiente. Una disposición de cuatro conductores es típica con un conductor común (ánodo o cátodo) y un conductor adicional para cada color. Otros tienen solo dos cables (positivo y negativo) y tienen un controlador electrónico incorporado.

RGB-SMD-LED

Los LED RGB constan de un LED rojo, uno verde y uno azul. Al ajustar de forma independiente cada uno de los tres, los LED RGB son capaces de producir una amplia gama de colores. A diferencia de los LED de colores dedicados, estos no producen longitudes de onda puras. Es posible que los módulos no estén optimizados para una mezcla uniforme de colores.

Decorativo-multicolor

Los LED multicolores decorativos incorporan varios emisores de diferentes colores alimentados por solo dos cables de salida. Los colores se cambian internamente variando el voltaje de suministro.

Alfanumérico

Imagen compuesta de una 11 × 44 Pantalla de lapel de la matriz LED con LED SMD de 1608/0603. Top: Un poco más de la mitad del 21 × 86 mm Pantalla. Centro: Cierre de LEDs en luz ambiente. Tema: LEDs en su propia luz roja.

Los LED alfanuméricos están disponibles en formato de matriz de puntos, estrella y siete segmentos. Las pantallas de siete segmentos manejan todos los números y un conjunto limitado de letras. Las pantallas Starburst pueden mostrar todas las letras. Las pantallas de matriz de puntos suelen utilizar 5 × 7 píxeles por carácter. Las pantallas LED de siete segmentos se usaron ampliamente en las décadas de 1970 y 1980, pero el uso creciente de pantallas de cristal líquido, con sus menores necesidades de energía y una mayor flexibilidad de visualización, ha reducido la popularidad de las pantallas LED numéricas y alfanuméricas.

RGB digitales

Los LED direccionables RGB digitales contienen su propia función "inteligente" electronica de control Además de alimentación y tierra, estos proporcionan conexiones para entrada y salida de datos, reloj y, a veces, una señal estroboscópica. Estos están conectados en una cadena de margarita. Los datos enviados al primer LED de la cadena pueden controlar el brillo y el color de cada LED independientemente de los demás. Se utilizan donde se necesita una combinación de máximo control y mínima electrónica visible, como cadenas para Navidad y matrices LED. Algunos incluso tienen frecuencias de actualización en el rango de kHz, lo que permite aplicaciones de video básicas. Estos dispositivos se conocen por su número de pieza (siendo común WS2812) o una marca como NeoPixel.

Filamento

Un filamento LED consta de varios chips LED conectados en serie sobre un sustrato longitudinal común que forma una varilla delgada que recuerda a un filamento incandescente tradicional. Estos se están utilizando como una alternativa decorativa de bajo costo para las bombillas tradicionales que se están eliminando gradualmente en muchos países. Los filamentos usan un voltaje bastante alto, lo que les permite trabajar de manera eficiente con voltajes de red. A menudo, se emplea un rectificador simple y un limitador de corriente capacitivo para crear un reemplazo de bajo costo para una bombilla tradicional sin la complejidad del convertidor de alta corriente y bajo voltaje que necesitan los LED de matriz única. Por lo general, se empaquetan en bombillas similares a las lámparas para las que fueron diseñadas para reemplazar, y se llenan con gas inerte a una presión ligeramente inferior a la ambiental para eliminar el calor de manera eficiente y evitar la corrosión.

Arreglos de chips a bordo

Los LED montados en superficie se producen con frecuencia en arreglos de chip a bordo (COB), lo que permite una mejor disipación del calor que con un solo LED de salida luminosa comparable. Los LED se pueden organizar alrededor de un cilindro y se denominan "luces de mazorca de maíz" debido a las filas de LED amarillos.

Consideraciones de uso

Fuentes de energía

Circuito LED simple con resistor para la limitación actual

La corriente en un LED u otros diodos aumenta exponencialmente con el voltaje aplicado (consulte la ecuación del diodo de Shockley), por lo que un pequeño cambio en el voltaje puede causar un gran cambio en la corriente. La corriente a través del LED debe estar regulada por un circuito externo, como una fuente de corriente constante, para evitar daños. Dado que las fuentes de alimentación más comunes son (casi) fuentes de voltaje constante, las luminarias LED deben incluir un convertidor de potencia o, al menos, una resistencia limitadora de corriente. En algunas aplicaciones, la resistencia interna de las baterías pequeñas es suficiente para mantener la corriente dentro de la clasificación LED.

Polaridad eléctrica

A diferencia de una lámpara incandescente tradicional, un LED se encenderá solo cuando se aplique voltaje en la dirección de avance del diodo. No fluye corriente y no se emite luz si se aplica voltaje en la dirección inversa. Si el voltaje inverso excede el voltaje de ruptura, que normalmente es de cientos de voltios, fluye una gran corriente y el LED se dañará. Si la corriente inversa está suficientemente limitada para evitar daños, el LED de conducción inversa es un diodo de ruido útil.

Por definición, la brecha de banda de energía de cualquier diodo es mayor cuando tiene polarización inversa que cuando tiene polarización directa. Debido a que la energía de la brecha de banda determina la longitud de onda de la luz emitida, el color no puede ser el mismo cuando se polariza inversamente. El voltaje de ruptura inversa es lo suficientemente alto como para que la longitud de onda emitida no pueda ser lo suficientemente similar para seguir siendo visible. Aunque existen paquetes de LED doble que contienen un LED de color diferente en cada dirección, no se espera que ningún LED único pueda emitir luz visible cuando se polariza inversamente.

No se sabe si podría existir algún diodo zener que emita luz solo en modo de polarización inversa. Excepcionalmente, este tipo de LED conduciría cuando se conectara al revés.

Seguridad y salud

Ciertos LED azules y LED de color blanco frío pueden superar los límites seguros del llamado peligro de luz azul, tal como se define en las especificaciones de seguridad ocular como "ANSI/IESNA RP-27.1–05: Práctica recomendada para la seguridad fotobiológica para lámparas y sistemas de lámparas". Un estudio no mostró evidencia de un riesgo en el uso normal con iluminancia doméstica, y esa precaución solo es necesaria para situaciones ocupacionales particulares o para poblaciones específicas. En 2006, la Comisión Electrotécnica Internacional publicó IEC 62471 Seguridad fotobiológica de lámparas y sistemas de lámparas, reemplazando la aplicación de los primeros estándares orientados al láser para la clasificación de fuentes LED.

Si bien los LED tienen la ventaja sobre las lámparas fluorescentes de que no contienen mercurio, pueden contener otros metales peligrosos como plomo y arsénico.

En 2016, la Asociación Médica Estadounidense (AMA, por sus siglas en inglés) emitió una declaración sobre la posible influencia adversa del alumbrado público azulado en el ciclo de sueño y vigilia de los habitantes de las ciudades. Los críticos de la industria afirman que los niveles de exposición no son lo suficientemente altos como para tener un efecto notable.

Ventajas

• Eficiencia: Los LED emiten más lúmenes por vatio que bombillas incandescentes. La eficiencia de los accesorios de iluminación LED no se ve afectada por la forma y el tamaño, a diferencia de las bombillas o tubos fluorescentes.
• Color: Los LED pueden emitir luz de un color deseado sin usar filtros de color como los métodos de iluminación tradicionales necesitan. Esto es más eficiente y puede reducir los costos iniciales.
• Tamaño: Los LED pueden ser muy pequeños (pequeño que 2 mm²) y se adjuntan fácilmente a las placas de circuito impreso.
• Cambiar el tiempo: Los LED se iluminan muy rápidamente. Un LED indicador rojo típico alcanza el brillo completo en un microsegundo. Los LED utilizados en dispositivos de comunicación pueden tener tiempos de respuesta aún más rápidos.
• Ciclismo: Los LED son ideales para usos sujetos a frecuentes bicicletas on-off, a diferencia de lámparas incandescentes y fluorescentes que fallan más rápido cuando se ciclan a menudo, o lámparas de descarga de alta intensidad (Lámparas HID) que requieren mucho tiempo antes de reiniciar.
• Dimming: Los LEDs pueden ser muy fácilmente removidos ya sea por modulación de pulso o bajando la corriente delantera. Esta modulación de ancho de pulso es por qué las luces LED, particularmente los faros en los coches, cuando se ven en cámara o por algunas personas, parecen flash o flicker. Este es un tipo de efecto estroboscópico.
• Luz fresca: En contraste con la mayoría de las fuentes de luz, los LED irradian muy poco calor en forma de IR que puede causar daño a objetos o telas sensibles. La energía residual se dispersa como calor a través de la base del LED.
• Insuficiencia lenta: Los LEDs fallan principalmente atenuando con el tiempo, en lugar de la abrupta falla de las bombillas incandescentes.
• Lifetime: Los LED pueden tener una vida útil relativamente larga. Un informe estima que 35.000 a 50.000 horas de vida útil, aunque el tiempo para completar el fracaso puede ser más corto o más. Los tubos fluorescentes normalmente se clasifican a unas 10.000 a 25.000 horas, dependiendo en parte de las condiciones de uso, y bombillas incandescentes a 1.000 a 2.000 horas. Varias demostraciones del DOE han demostrado que la reducción de los costos de mantenimiento de esta vida prolongada, en lugar de los ahorros energéticos, es el factor principal para determinar el período de devolución de un producto LED.
• Resistencia al choque: Los LED, siendo componentes de estado sólido, son difíciles de dañar con choque externo, a diferencia de las bombillas fluorescentes e incandescentes, que son frágiles.
• Focus: El paquete sólido del LED se puede diseñar para enfocar su luz. Las fuentes incandescentes y fluorescentes a menudo requieren un reflector externo para recoger la luz y dirigirla de manera usable. Para paquetes LED más grandes, las lentes de reflexión interna total (TIR) se utilizan a menudo al mismo efecto. Cuando se necesitan grandes cantidades de luz, muchas fuentes de luz generalmente se despliegan, que son difíciles de enfocar o colimarse en el mismo objetivo.

Desventajas

• La dependencia de la temperatura: El rendimiento del LED depende en gran medida de la temperatura ambiente del entorno operativo – o propiedades de gestión térmica. Conducir un LED en altas temperaturas ambiente puede resultar en sobrecalentar el paquete LED, eventualmente conduce a la falla del dispositivo. Se necesita un disipador de calor adecuado para mantener larga vida. Esto es especialmente importante en los usos automotrices, médicos y militares donde los dispositivos deben operar a través de una amplia gama de temperaturas, y requieren bajas tasas de fracaso.
• Sensibilidad del voltaje: Los LED deben ser suministrados con un voltaje por encima de su tensión del umbral y una corriente por debajo de su calificación. Cambio actual y de vida grande con un pequeño cambio en el voltaje aplicado. Por lo tanto, requieren un suministro regulado actual (generalmente sólo un resistor de serie para los indicadores LED).
• Rendición de color: La mayoría de los LED blancos frescos tienen espectros que difieren significativamente de un radiador de cuerpo negro como el sol o una luz incandescente. El pico a 460 nm y dip a 500 nm puede hacer que el color de los objetos aparezca de forma diferente bajo la iluminación LED blanco fresco que la luz solar o fuentes incandescentes, debido al metamerismo, las superficies rojas que se están produciendo particularmente mal por los típicos LEDs blancos fosforo. Lo mismo ocurre con superficies verdes. La calidad de la entrega de color de un LED se mide por el Índice de Rendering Color (CRI).
• Fuente de luz de zona: Los LED individuales no aproximan una fuente de luz que da una distribución de luz esférica, sino una distribución lambertiana. Por lo tanto, los LEDs son difíciles de aplicar a los usos que necesitan un campo de luz esférica. Los diferentes campos de luz pueden ser manipulados por la aplicación de diferentes ópticas o "lentes". Los LED no pueden proporcionar divergencia debajo de unos pocos grados.
• Contaminación de la luz: Debido a que los LED blancos emiten más luz de longitud de onda corta que fuentes como lámparas de vapor de sodio de alta presión, la creciente sensibilidad azul y verde de la visión escotópica significa que los LED blancos utilizados en la iluminación exterior causan sustancialmente más brillo del cielo.
• Eficiencia: La eficiencia de los LED disminuye a medida que aumenta la corriente eléctrica. La calefacción también aumenta con corrientes más altas, que compromete la vida del LED. Estos efectos ponen límites prácticos sobre la corriente a través de un LED en aplicaciones de alta potencia.
• Impacto en la vida silvestre: Los LED son mucho más atractivos para los insectos que las luces de sodio-vapor, tanto por lo que ha habido preocupación especulativa sobre la posibilidad de perturbar las redes alimentarias. Iluminación LED cerca de las playas, especialmente intensos colores azules y blancos, puede desorientar a las tortugas hatchlings y hacerlos vagar por el interior. El uso de LEDs "turtle-safe light" que emiten sólo en partes estrechas del espectro visible es estimulado por grupos de conservancia para reducir el daño.
• Uso en condiciones de invierno: Dado que no dejan mucho calor en comparación con las luces incandescentes, las luces LED usadas para el control de tráfico pueden tener nieve oscureciendo, lo que conduce a accidentes.
• Escapada térmica: Las cuerdas paralelas de LEDs no compartirán la corriente uniformemente debido a las tolerancias de fabricación en su voltaje adelante. El funcionamiento de dos o más cadenas de una única fuente actual puede resultar en la falla del LED a medida que los dispositivos se calientan. Si la fijación de tensión avanzada no es posible, se requiere un circuito para asegurar incluso la distribución de corriente entre los hilos paralelos.

Aplicaciones

LEDs de luz de funcionamiento de un automóvil

Los usos de LED se dividen en cinco categorías principales:

• Indicaciones visuales donde la luz va más o menos directamente de la fuente al ojo humano, para transmitir un mensaje o significado
• Iluminación donde se refleja la luz de los objetos para dar respuesta visual a estos objetos
• Medición e interacción con procesos sin visión humana
• Sensores de luz de banda estrecha donde los LED operan en un modo de labios inversos y responden a la luz de incidente, en lugar de emitir luz
• Cultivo interior, incluyendo cannabis.

Indicadores y señales

El bajo consumo de energía, el bajo mantenimiento y el pequeño tamaño de los LED ha llevado a su uso como indicadores de estado y pantallas en una variedad de equipos e instalaciones. Las pantallas LED de área grande se utilizan como pantallas de estadio, pantallas decorativas dinámicas y letreros de mensajes dinámicos en las autopistas. Las pantallas de mensajes delgadas y livianas se utilizan en aeropuertos y estaciones de tren, y como pantallas de destino para trenes, autobuses, tranvías y transbordadores.

Señales de tráfico LED rojo y verde

La luz de un solo color es adecuada para semáforos y señales, señales de salida, iluminación de vehículos de emergencia, barcos & # 39; luces de navegación y luces navideñas basadas en LED

Debido a su larga vida útil, tiempos de conmutación rápidos y visibilidad a plena luz del día debido a su alto rendimiento y enfoque, los LED se han utilizado en luces de freno y señales de giro de automóviles. El uso en frenos mejora la seguridad, debido a una gran reducción en el tiempo necesario para encender completamente, o un tiempo de subida más rápido, alrededor de 0,1 segundos más rápido que una bombilla incandescente. Esto les da a los conductores detrás más tiempo para reaccionar. En un circuito de doble intensidad (marcadores traseros y frenos), si los LED no se pulsan a una frecuencia lo suficientemente rápida, pueden crear una matriz fantasma, donde aparecen imágenes fantasma del LED si los ojos escanean rápidamente la matriz. Los faros LED blancos comienzan a aparecer. El uso de LED tiene ventajas de estilo porque los LED pueden formar luces mucho más delgadas que las lámparas incandescentes con reflectores parabólicos.

Debido al relativo bajo costo de los LED de bajo rendimiento, también se utilizan en muchos usos temporales, como barras luminosas, tiradores y el tejido fotónico Lumalive. Los artistas también han utilizado LED para el arte LED.

Iluminación

Con el desarrollo de LED de alta eficiencia y alta potencia, se ha vuelto posible usar LED en iluminación e iluminación. Para fomentar el cambio a lámparas LED y otras luces de alta eficiencia, en 2008 el Departamento de Energía de EE. UU. creó el concurso L Prize. La bombilla LED de Philips Lighting North America ganó la primera competencia el 3 de agosto de 2011, después de completar con éxito 18 meses de pruebas intensivas de campo, laboratorio y productos.

La iluminación eficiente es necesaria para una arquitectura sostenible. A partir de 2011, algunas bombillas LED proporcionan hasta 150 lm/W e incluso los modelos económicos de gama baja suelen superar los 50 lm/W, por lo que una bombilla LED de 6 vatios podría lograr los mismos resultados que una bombilla incandescente estándar de 40 vatios. La menor producción de calor de los LED también reduce la demanda de los sistemas de aire acondicionado. En todo el mundo, los LED se adoptan rápidamente para desplazar fuentes menos eficaces, como las lámparas incandescentes y las LFC, y reducir el consumo de energía eléctrica y sus emisiones asociadas. Los LED alimentados por energía solar se utilizan como farolas y en iluminación arquitectónica.

La robustez mecánica y la larga vida útil se utilizan en la iluminación de automóviles, motocicletas y bicicletas. Las luces de calle LED se emplean en postes y en estacionamientos. En 2007, el pueblo italiano de Torraca fue el primer lugar en convertir su alumbrado público a LED.

La iluminación de la cabina en aviones de pasajeros recientes de Airbus y Boeing utiliza iluminación LED. Los LED también se utilizan en la iluminación de aeropuertos y helipuertos. Las luminarias LED para aeropuertos actualmente incluyen luces de pista de intensidad media, luces de línea central de pista, luces de línea central y borde de calle de rodaje, señales de guía e iluminación de obstrucción.

Los LED también se utilizan como fuente de luz para los proyectores DLP y para retroiluminar los televisores LCD más nuevos (denominados televisores LED), monitores de computadora (incluida la computadora portátil) y dispositivos portátiles LCD, reemplazando a los LCD retroiluminados CCFL más antiguos, aunque están siendo reemplazados por pantallas OLED. Los LED RGB aumentan la gama de colores hasta en un 45 %. Las pantallas para televisores y computadoras se pueden hacer más delgadas usando LED para retroiluminación.

Los LED son pequeños, duraderos y necesitan poca energía, por lo que se utilizan en dispositivos portátiles como linternas. Las luces LED estroboscópicas o los flashes de las cámaras funcionan con un voltaje bajo y seguro, en lugar de los más de 250 voltios que se encuentran comúnmente en la iluminación basada en lámparas de xenón. Esto es especialmente útil en las cámaras de los teléfonos móviles, donde el espacio es escaso y los circuitos de aumento de voltaje voluminosos no son deseables.

Los LED se utilizan para la iluminación infrarroja en usos de visión nocturna, incluidas las cámaras de seguridad. Un anillo de LED alrededor de una cámara de video, apuntando hacia un fondo retrorreflectante, permite la codificación de croma en las producciones de video.

LED para mineros, para aumentar la visibilidad dentro de las minas

Puente Los Angeles Vincent Thomas iluminado con LED azul

Los LED se utilizan en operaciones mineras, como lámparas de casquillo para proporcionar luz a los mineros. Se han realizado investigaciones para mejorar los LED para la minería, reducir el deslumbramiento y aumentar la iluminación, lo que reduce el riesgo de lesiones para los mineros.

Los LED encuentran cada vez más usos en aplicaciones médicas y educativas, por ejemplo, para mejorar el estado de ánimo. La NASA incluso ha patrocinado investigaciones sobre el uso de LED para promover la salud de los astronautas.

Comunicación de datos y otra señalización

La luz se puede utilizar para transmitir datos y señales analógicas. Por ejemplo, los LED blancos de iluminación se pueden usar en sistemas que ayudan a las personas a navegar en espacios cerrados mientras buscan habitaciones u objetos necesarios.

Los dispositivos de asistencia auditiva en muchos teatros y espacios similares utilizan conjuntos de LED infrarrojos para enviar sonido a los oyentes. receptores Los diodos emisores de luz (así como los láseres semiconductores) se utilizan para enviar datos a través de muchos tipos de cables de fibra óptica, desde audio digital a través de cables TOSLINK hasta enlaces de fibra de ancho de banda muy alto que forman la red troncal de Internet. Durante algún tiempo, las computadoras estaban comúnmente equipadas con interfaces IrDA, lo que les permitía enviar y recibir datos a máquinas cercanas a través de infrarrojos.

Debido a que los LED pueden encenderse y apagarse millones de veces por segundo, se puede lograr un ancho de banda de datos muy alto. Por esa razón, Visible Light Communication (VLC) se ha propuesto como una alternativa al cada vez más competitivo ancho de banda de radio. Al operar en la parte visible del espectro electromagnético, los datos pueden transmitirse sin ocupar las frecuencias de las comunicaciones por radio.

La principal característica de VLC, radica en la incapacidad de la luz para superar las barreras físicas opacas. Esta característica puede considerarse un punto débil de VLC, debido a la susceptibilidad a la interferencia de objetos físicos, pero también es una de sus muchas fortalezas: a diferencia de las ondas de radio, las ondas de luz están confinadas en los espacios cerrados en los que se transmiten, lo que impone un aspecto físico. barrera de seguridad que requiere que un receptor de esa señal tenga acceso físico al lugar donde se está produciendo la transmisión.

Una aplicación prometedora de VLC radica en el Sistema de Posicionamiento en Interiores (IPS), un análogo del GPS construido para operar en espacios cerrados donde las transmisiones satelitales que permiten la operación del GPS son difíciles de alcanzar. Por ejemplo, los edificios comerciales, los centros comerciales, los estacionamientos, así como los subterráneos y los sistemas de túneles son aplicaciones posibles para los sistemas de posicionamiento en interiores basados en VLC. Además, una vez que las lámparas VLC pueden realizar la iluminación al mismo tiempo que la transmisión de datos, simplemente puede ocupar la instalación de las lámparas tradicionales de una sola función.

Otras aplicaciones para VLC implican la comunicación entre dispositivos de una casa u oficina inteligente. Con el aumento de dispositivos con capacidad para IoT, la conectividad a través de ondas de radio tradicionales podría estar sujeta a interferencias. Las bombillas con capacidades VLC pueden transmitir datos y comandos para dichos dispositivos.

Sistemas de visión artificial

Los sistemas de visión artificial a menudo requieren una iluminación brillante y homogénea, por lo que las características de interés son más fáciles de procesar. Los LED se utilizan a menudo.

Los lectores de códigos de barras son el ejemplo más común de aplicaciones de visión artificial y muchos de esos lectores usan LED rojos en lugar de láseres. Los ratones de computadora ópticos usan LED como fuente de luz para la cámara en miniatura dentro del mouse.

Los LED son útiles para la visión artificial porque proporcionan una fuente de luz compacta y fiable. Las lámparas LED se pueden encender y apagar para adaptarse a las necesidades del sistema de visión, y la forma del haz producido se puede adaptar para que coincida con los requisitos del sistema.

Detección biológica

El descubrimiento de la recombinación radiativa en aleaciones de nitruro de aluminio y galio (AlGaN) por parte del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) condujo a la conceptualización de diodos emisores de luz (LED) UV para incorporarlos en sensores de fluorescencia inducida por luz utilizados para la detección de agentes biológicos. En 2004, el Edgewood Chemical Biological Center (ECBC) inició el esfuerzo de crear un detector biológico llamado TAC-BIO. El programa aprovechó las fuentes ópticas UV de semiconductores (SUVOS) desarrolladas por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA).

La fluorescencia inducida por UV es una de las técnicas más sólidas utilizadas para la detección rápida en tiempo real de aerosoles biológicos. Los primeros sensores UV eran láseres que carecían de practicidad de uso en el campo. Para abordar esto, DARPA incorporó la tecnología SUVOS para crear un dispositivo de bajo costo, pequeño, liviano y de bajo consumo. El tiempo de respuesta del detector TAC-BIO fue de un minuto desde que detectó un agente biológico. También se demostró que el detector podía funcionar sin supervisión en interiores y exteriores durante semanas seguidas.

Las partículas biológicas en aerosol emitirán fluorescencia y dispersarán la luz bajo un haz de luz ultravioleta. La fluorescencia observada depende de la longitud de onda aplicada y de los fluoróforos bioquímicos dentro del agente biológico. La fluorescencia inducida por UV ofrece una forma rápida, precisa, eficiente y logísticamente práctica para la detección de agentes biológicos. Esto se debe a que el uso de la fluorescencia UV es sin reactivos, o un proceso que no requiere un químico agregado para producir una reacción, sin consumibles, o que no produce subproductos químicos.

Además, TAC-BIO puede discriminar de forma fiable entre aerosoles peligrosos y no peligrosos. Se afirmó que era lo suficientemente sensible para detectar concentraciones bajas, pero no tan sensible como para causar falsos positivos. El algoritmo de conteo de partículas utilizado en el dispositivo convirtió los datos sin procesar en información contando los pulsos de fotones por unidad de tiempo de los detectores de fluorescencia y dispersión, y comparando el valor con un umbral establecido.

El TAC-BIO original se introdujo en 2010, mientras que el TAC-BIO GEN II de segunda generación se diseñó en 2015 para ser más rentable ya que se utilizaron piezas de plástico. Su diseño pequeño y liviano permite montarlo en vehículos, robots y vehículos aéreos no tripulados. El dispositivo de segunda generación también podría utilizarse como detector ambiental para monitorear la calidad del aire en hospitales, aviones o incluso en los hogares para detectar hongos y moho.

Otras aplicaciones

Disfraz LED para los intérpretes de escenario

Fondos de pantalla LED por Meystyle

La luz de los LED se puede modular muy rápidamente, por lo que se utilizan ampliamente en comunicaciones de fibra óptica y óptica de espacio libre. Esto incluye los controles remotos, como los de los televisores, donde a menudo se utilizan LED infrarrojos. Los optoaisladores utilizan un LED combinado con un fotodiodo o fototransistor para proporcionar una ruta de señal con aislamiento eléctrico entre dos circuitos. Esto es especialmente útil en equipos médicos donde las señales de un circuito sensor de bajo voltaje (generalmente alimentado por batería) en contacto con un organismo vivo deben aislarse eléctricamente de cualquier posible falla eléctrica en un dispositivo de registro o monitoreo que opera a voltajes potencialmente peligrosos. Un optoaislador también permite transferir información entre circuitos que no comparten un potencial de tierra común.

Muchos sistemas de sensores se basan en la luz como fuente de señal. Los LED suelen ser ideales como fuente de luz debido a los requisitos de los sensores. La barra de sensores de Nintendo Wii utiliza LED infrarrojos. Los oxímetros de pulso los usan para medir la saturación de oxígeno. Algunos escáneres de superficie plana utilizan matrices de LED RGB en lugar de la típica lámpara fluorescente de cátodo frío como fuente de luz. Tener un control independiente de tres colores iluminados permite que el escáner se calibre solo para un balance de color más preciso, y no hay necesidad de calentamiento. Además, sus sensores solo necesitan ser monocromáticos, ya que en cualquier momento la página que se escanea solo está iluminada por un color de luz.

Dado que los LED también se pueden usar como fotodiodos, se pueden usar tanto para fotoemisión como para detección. Esto podría usarse, por ejemplo, en una pantalla táctil que registra la luz reflejada de un dedo o un lápiz óptico. Muchos materiales y sistemas biológicos son sensibles a la luz o dependen de ella. Las luces de crecimiento usan LED para aumentar la fotosíntesis en las plantas, y las bacterias y los virus se pueden eliminar del agua y otras sustancias usando LED UV para la esterilización. Los LED de ciertas longitudes de onda también se han utilizado para el tratamiento con fototerapia de la ictericia y el acné neonatales.

Los LED UV, con un rango de espectros de 220 nm a 395 nm, tienen otras aplicaciones, como la purificación de agua y aire, la desinfección de superficies, el curado con pegamento, la comunicación sin visibilidad directa en el espacio libre, la cromatografía líquida de alto rendimiento, Impresión de tinte de curado UV, fototerapia (vitamina D de 295 nm, reemplazo de lámpara o láser Excimer de 308 nm), instrumentación médica/analítica y absorción de ADN.

Los LED también se han utilizado como referencia de voltaje de calidad media en circuitos electrónicos. La caída de tensión directa (alrededor de 1,7 V para un LED rojo o 1,2 V para un infrarrojo) se puede utilizar en lugar de un diodo Zener en reguladores de bajo voltaje. Los LED rojos tienen la curva I/V más plana por encima de la rodilla. Los LED basados en nitruro tienen una curva I/V bastante empinada y son inútiles para este propósito. Aunque el voltaje directo del LED depende mucho más de la corriente que un diodo Zener, los diodos Zener con voltajes de ruptura por debajo de 3 V no están ampliamente disponibles.

La progresiva miniaturización de la tecnología de iluminación de bajo voltaje, como los LED y los OLED, aptos para incorporar en materiales de bajo espesor, ha fomentado la experimentación en la combinación de fuentes de luz y superficies de revestimiento para paredes interiores en forma de papel tapiz LED.

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  Una gran pantalla LED detrás de un disco jockey

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  Pantalla de siete segmentos que puede mostrar cuatro dígitos y puntos

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  Fuente de luz LED utilizado en un experimento temprano sobre el crecimiento de papas durante la misión de Shuttle STS-73 para investigar el potencial de cultivo de alimentos en futuras misiones de larga duración.

Investigación y desarrollo

Desafíos clave

Los LED requieren una eficiencia optimizada para depender de las mejoras continuas, como los materiales de fósforo y los puntos cuánticos.

El proceso de conversión descendente (el método mediante el cual los materiales convierten fotones más energéticos en colores diferentes y menos energéticos) también necesita mejoras. Por ejemplo, los fósforos rojos que se utilizan hoy en día son térmicamente sensibles y deben mejorarse en ese aspecto para que no cambien de color y experimenten una disminución de la eficiencia con la temperatura. Los fósforos rojos también podrían beneficiarse de un ancho espectral más estrecho para emitir más lúmenes y volverse más eficientes en la conversión de fotones.

Además, queda trabajo por hacer en los ámbitos de la disminución de la eficiencia actual, el cambio de color, la confiabilidad del sistema, la distribución de la luz, la atenuación, la gestión térmica y el rendimiento de la fuente de alimentación.

Tecnología potencial

LED de perovskita (PLED)

Una nueva familia de LED se basa en los semiconductores llamados perovskitas. En 2018, menos de cuatro años después de su descubrimiento, la capacidad de los LED de perovskita (PLED) para producir luz a partir de electrones ya rivalizaba con la de los OLED de mejor rendimiento. Tienen un potencial de rentabilidad, ya que pueden procesarse a partir de una solución, un método de bajo costo y baja tecnología, que podría permitir la fabricación de dispositivos basados en perovskita que tienen grandes áreas a un costo extremadamente bajo. Su eficiencia es superior al eliminar las pérdidas no radiativas, es decir, eliminar las vías de recombinación que no producen fotones; o resolviendo el problema de desacoplamiento (prevaleciente en los LED de película delgada) o equilibrando la inyección del portador de carga para aumentar la EQE (eficiencia cuántica externa). Los dispositivos PLED más actualizados han roto la barrera del rendimiento disparando el EQE por encima del 20 %.

En 2018, Cao et al. y Lin et al. publicó de forma independiente dos artículos sobre el desarrollo de LED de perovskita con EQE superior al 20 %, lo que convirtió a estos dos artículos en un hito en el desarrollo de PLED. Su dispositivo tiene una estructura plana similar, es decir, la capa activa (perovskita) está intercalada entre dos electrodos. Para lograr un EQE alto, no solo redujeron la recombinación no radiativa, sino que también utilizaron sus propios métodos sutilmente diferentes para mejorar el EQE.

En el trabajo de Cao et al., los investigadores se enfocaron en el problema del desacoplamiento, que consiste en que la física óptica de los LED de película delgada hace que la mayoría de la luz generada por el semiconductor quede atrapada en el dispositivo. Para lograr este objetivo, demostraron que las perovskitas procesadas en solución pueden formar espontáneamente plaquetas de cristal de escala submicrométrica, que pueden extraer luz del dispositivo de manera eficiente. Estas perovskitas se forman mediante la introducción de aditivos de aminoácidos en las soluciones precursoras de perovskita. Además, su método es capaz de pasivar los defectos de la superficie de la perovskita y reducir la recombinación no radiativa. Por lo tanto, al mejorar el desacoplamiento de la luz y reducir las pérdidas no radiativas, Cao y sus colegas lograron con éxito PLED con EQE de hasta el 20,7 %.

Lin y su colega utilizaron un enfoque diferente para generar un alto EQE. En lugar de modificar la microestructura de la capa de perovskita, optaron por adoptar una nueva estrategia para gestionar la distribución de la composición en el dispositivo, un enfoque que proporciona simultáneamente una alta luminiscencia y una inyección de carga equilibrada. En otras palabras, todavía usaban una capa emisiva plana, pero intentaban optimizar el balance de electrones y huecos inyectados en la perovskita, para hacer el uso más eficiente de los portadores de carga. Además, en la capa de perovskita, los cristales están perfectamente encerrados por el aditivo MABr (donde MA es CH₃NH₃). La capa de MABr pasiva los defectos no radiativos que de otro modo estarían presentes en los cristales de perovskita, lo que da como resultado una reducción de la recombinación no radiativa. Por lo tanto, al equilibrar la inyección de carga y disminuir las pérdidas no radiativas, Lin y sus colegas desarrollaron PLED con EQE de hasta el 20,3 %.