DIODOS: Ga, In, Al

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA

LIC. QUÍMICO EN ALIMENTOS

QUÍMICA INORGÁNICA

• ELABORADO POR:

ANTOLÍN ESPINOS KARLA BEATRÍZ

ESCOBAR ROJAS ALONDRA JAZMIN

DIODOS: Ga, In, Al

(LED’s)

Los Diodos Emisores de Luz (LEDs, por sus siglas en inglés) son la tecnología SSL (Iluminación en Estado Sólido) de mayor disponibilidad en el mercado, ofrece una gran variedad de ventajas sobre las otras tecnologías de iluminación, desde la eficiencia, solidez y longevidad hasta la capacidad de generar de manera directa una gran cantidad de colores. Los LEDs actualmente disponibles ya están reemplazando rápidamente a otras fuentes de iluminación como así también son hoy la tecnología preferida para luces decorativas y de diferentes aplicaciones.

Definición

Los diodos son dispositivos semiconductores que permiten hacer fluir la electricidad solo en un sentido.

Antecedentes

La luz que emite un diodo LED constituye un fenómeno físico denominado “electroluminiscencia”. Aunque desde hace muchos años atrás se conoce este fenómeno físico, no fue hasta 1961 que Bob Biard y Gary Pittman, investigadores de la empresa norteamericana “Texas Instruments”, descubrieron que cuando se le aplicaba una corriente eléctrica a un semiconductor diodo compuesto por arseniuro de galio (GaAs) el chip emitía radiaciones infrarrojas (IR) no visibles al ojo humano. En un inicio ese descubrimiento sólo tuvo aplicación práctica en el control remoto de equipos.

Un año después, en 1962, el físico norteamericano Nick Holonyak desarrolló el primer LED de luz visible roja cuando trabajaba en los laboratorios de la “General Electric” en New York. Años después, en 1972, George Craford desarrolló el primer LED de luz amarilla, mejorando también en 10 veces la brillantez de la luz emitida por los de color rojo y rojo-naranja.

Posteriormente en los años 90 del siglo pasado, el investigador japonés Shuji Nakamura desarrolló el LED de luz verde y más tarde el de luz azul, que le abriría el camino para desarrollar un tiempo después el LED emisor de luz blanca.

Fundamento

Un diodo semiconductor común se compone de dos cristales de silicio (Si) de polaridades o regiones diferentes: una tipo-P (positiva) en función de ánodo y otra tipo-N (negativa) en función de cátodo. Cuando ambas regiones se unen forman el chip de un diodo tipo P-N. Una vez que un diodo así formado lo energizamos con una fuente de corriente eléctrica directa (C.D.), (procedente de una batería, por ejemplo), cuando conectamos el polo negativo de dicha fuente de suministro eléctrico al polo también negativo o cátodo del diodo, si la tensión o voltaje es el adecuado éste se polariza directamente permitiendo que la corriente de electrones lo atraviese y circule por todo el circuito eléctrico.

Cuando un diodo se encuentra debidamente polarizado, los electrones existentes en exceso en la región “N” adquieren suficiente energía para vencer la resistencia que les ofrece a su paso la barrera de potencial que se crea en el punto de unión o juntura entre las dos regiones. Este incremento de energía permite a los electrones atravesar esa barrera, pasar a la región “P” y unirse a los huecos allí existentes también en exceso, proporcionando que puedan seguir circulando por el interior del diodo. A continuación la corriente de electrones continuará circulando por el resto del circuito eléctrico externo hasta terminar su recorrido en el polo positivo (+) de la fuente de suministro eléctrico, ya sea una batería o cualquier otra fuente de corriente directa (C.D.) a la que se encuentre conectado el diodo.

La estructura del chip de los diodos LED, al contrario de lo que ocurre con los diodos comunes, no emplea cristales de silicio (Si) como elemento semiconductor, sino una combinación de otros tipos de materiales, igualmente semiconductores, pero que poseen la propiedad de emitir fotones de luz de diferentes colores cuando lo recorre una corriente eléctrica.

Un diodo LED emisor de luz roja, por ejemplo, emplea un chip compuesto por arseniuro de galio y aluminio (GaAlAs), mientras que para emitir luz azul utiliza un chip de nitruro de galio (GaN). Todas las combinaciones empleadas en la fabricación del chip de un diodo LED, poseen también dos polaridades o regiones diferentes: una negativa “N” correspondiente al cátodo y otra positiva “P” correspondiente al ánodo, al igual que ocurre con los diodos comunes de silicio (Si).

Para crear un diodo LED se unen también dos regiones “N” y “P”, como si de un diodo común se tratara. En el punto de unión o juntura de esas dos regiones se forma, igualmente, una barrera de potencial, cuya función es impedir el paso de los electrones desde la región negativa “N” hacia la positiva “P” cuando no se encuentran debidamente polarizados y los electrones no poseen la suficiente energía para poder atravesarla.

Cuando aplicamos a los extremos del LED una tensión o voltaje que permita polarizarlo directamente, los electrones provenientes de la fuente de suministro de corriente directa (C.D.) comienzan a fluir a través del diodo. Bajo esas condiciones, cada vez que un electrón en exceso con carga negativa (–) presente en la región “N” adquiere la suficiente energía como para poder vencer la resistencia que le ofrece la barrera de potencial, la atraviesa y se combina con un hueco positivo en exceso en la región “P”. En el mismo instante que ocurre esa combinación, la energía en exceso que adquirió dicho electrón para poder atravesar la barrera de potencial, se transforma en energía electromagnética, que libera, en ese preciso momento, en forma de fotón de luz.

Estructura

Un diodo LED común se compone de las siguientes partes: 1.- Extremo superior abovedado de la cápsula de resina epoxi, que hace también función de lente convexa. La existencia de esta lente permite concentrar el haz de luz que emite el chip y proyectarlo en una sola dirección. 2.- Cápsula de resina epoxi protectora del chip. 3.- Chip o diodo semiconductor emisor de luz. 4.- Copa reflectora. En el interior de esta copa se aloja el chip emisor de luz. 5.- Base redonda de la cápsula de resina epoxi. Esta base posee una marca plana situada junto a uno de los dos alambres de conexión del LED al circuito externo, que sirve para identificar el terminal negativo (–) correspondiente al cátodo del chip. 6.- Alambre terminal negativo (–) de conexión a un circuito eléctrico o electrónico externo. En un LED nuevo este terminal se identifica a simple vista, porque siempre es más corto que el terminal positivo. 7.- Alambre terminal positivo (+) correspondiente al ánodo del chip del diodo, que se utiliza para conectarlo al circuito externo. 8.- Alambre muy delgado de oro, conectado internamente con el terminal positivo (+) y con el ánodo del chip.

Estructura interna del chip de un diodo LED. En esta ilustración el chip se compone de nitruro de galio (GaN) como elemento semiconductor. Aquí la corriente de electrones “I” que parte del polo negativo (–) de la batería “B”, penetra en el diodo LED por el cátodo (negativo), correspondiente a la región “N”. Cuando a este chip se le aplica un voltaje adecuado que lo polarice de forma directa, los electrones adquieren la energía extra necesaria que les permite circular y atravesar las dos regiones que lo componen. Desde el mismo momento que la batería “B” suministra a los electrones la energía suficiente para vencer la oposición que les ofrece a su paso la barrera de potencial que se crea en el punto de unión o juntura que limita las dos regiones del diodo, estos pueden pasar a ocupar los huecos existentes en la región “P” (positiva). Acto seguido los electrones continúan su recorrido por esa otra parte del diodo, circulan por el circuito externo, atraviesan la resistencia limitadora de corriente “R” y alcanzan, finalmente, el polo positivo (+) de la batería o fuente de energía de corriente directa, completando así su recorrido por todo el circuito. Una vez que los electrones comienzan a circular por el interior del diodo, en el mismo momento que cada uno de ellos atraviesa la barrera de potencial y se une a un hueco en la región “P”, el exceso de energía extra previamente adquirida procedente de la batería la libera en forma de fotón de luz. En el caso del diodo LED de este ejemplo, la luz emitida será ultravioleta (UV), invisible al ojo humano, por ser nitruro de galio (GaN) el componente químico del material semiconductor que compone este chip.

El chip de un diodo LED común no se considera una “lámpara” propiamente dicho como ocurre con otras fuentes de iluminación o bombillas más tradicionales. Para que sea considerado como tal, además del chip emisor de luz en sí, tiene que contener también otros elementos adicionales, como son: un controlador electrónico o driver, un disipador de calor y componentes ópticos apropiados, tal como poseen las “lámparas LED” de alta potencia luminosa utilizadas para su uso en alumbrado general.

Obtención

Para obtener directamente luz de diferentes colores, los diodos LED se fabrican con una gran variedad de combinaciones de materiales semiconductores como son, por ejemplo: arseniuro de galio (GaAs), arseniuro de galio y aluminio (GaAlAs), fosfuro de galio (GaP), fosfuro de galio y arsénico (GaAsP), nitruro de galio e indio (GaInN) y otras combinaciones más.

Hasta ahora ninguna combinación de materiales semiconductores proporciona directamente luz blanca. Para obtenerla se emplean dos

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