Actualmente ha comenzado a tener cada vez mayor presencia el uso de leds en diferentes aplicaciones. Aunque ya se usaban como luces indicadores en los aparatos electrónicos desde hace tiempo, su desarrollo los ha llevado a ser más eficientes y están destinados a jugar un papel importante en diferentes aspectos de la iluminación en el futuro.
La palabra
LED son las siglas de
Diodo Emisor de Luz (Light Emitting Diode, en inglés), pero para conocerlo mejor vamos a iniciar por entender qué es un diodo.
El
diodo es un dispositivo electrónico hecho a base de
semiconductores (germanio o silicio) que tienen la particularidad de permitir el paso de corriente eléctrica en un sólo sentido, de tal manera que se comporta como un circuito abierto cuando se conecta inversamente y como un circuito cerrado cuando se conecta de manera correcta. Entre otras aplicaciones, se usan en los
rectificadores para convertir la
corriente alterna en
corriente continua, que es con la que funcionan la mayoría de los aparatos electrónicos.
A los materiales semiconductores puros se les añaden átomos de otros materiales para darles características eléctricas definidas; a este proceso se le conoce como
dopado. Cuando a un cristal de silicio lo contaminamos con átomos de otros materiales, el resultado puede ser un semiconductor con exceso de electrones al que se le conoce como semiconductor tipo N, y cuando tiene un déficit de electrones quedan "huecos" y se le llama semiconductor tipo P.
Un diodo se compone de la unión de un semiconductor tipo P con uno tipo N, los cuales, al juntarse, forman en ambos lados de la unión una zona donde los electrones del material tipo N, una carga positiva en la parte P y una
barrera.
Si se conecta el polo positivo de una batería a la terminal positiva del diodo (ánodo), la barrera de potencial reducirá su tamaño y permitirá el flujo de electrones, lo que creará una corriente que puede alimentar una carga eléctrica, a esta configuración se le denomina
polarización directa. Por otro lado, si conectamos el mismo polo positivo a la terminal negativa del diodo (cátodo), la barrera de potencial aumentará y no circulará corriente, comportándose como un circuito abierto, esta configuración se denomina
polarización inversa.
Cuando polarizamos un diodo directamente, los
electrones libres que pasan a ocupar los huecos cruzando la barrera de potencial pierden energía que se manifiesta de diversas formas, como calor o radiaciones que van desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, pasando por el espectro visible al ojo humano en forma de
fotones. Para lograr la emisión de luz visible, los diodos se fabrican de manera especial y es así como nace el Diodo Emisor de Luz (LED).
Su inventor es el ingeniero norteamericano
Nick Holonyak, nacido en Zeigler, Illinois, el 3 de Noviembre de 1928 y graduado en 1954 de la carrera de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Illinois donde llegó a doctorarse posteriormente. Uno de sus maestros y posteriormente amigo, fue John Bardeen, uno de los inventores del transistor.
Al terminar su carrera fue contratado por los
Laboratorios Bell para trabajar en dispositivos semiconductores y continuó involucrado con ellos en sus posteriores trabajos en la US Army Signal Corp y en la General Electric. Fue hasta 1962 que desarrolló el primer led que emitió luz en el espectro visible.
Ha recibido varios premios y reconocimientos a nivel internacional por su desarrollo en la ciencia de los semiconductores. Hasta el 2007 se dedicaba completamente a la investigación del láser de punto cuántico y dirigía el
Centro de Investigación del Transistor Láser de su universidad.
El
color de la luz que emite un led depende del
material con que esté hecho y la
intensidad de la corriente que circule por él, mientras mayor sea la intensidad con que emite la luz, es más ineficiente, motivo por el cual se debe considerar su voltaje de operación. Normalmente los leds operan en voltajes que van de 1,5 a 2,2 VCC (Volts de corriente continua), y los rangos de corriente que deben circular por él estar entre los 10 y 20 miliamperios (mA) para los de color rojo.
El primer led comercialmente utilizable fue desarrollado combinando Galio, Arsénico y Fósforo (
GaAsP), con lo cual se consiguió un
led rojo con una frecuencia de emisión de unos 650 nm utilizando una corriente relativamente baja (el nanómetro, nm, equivale a una milmillonésima parte de un metro, o sea 1 nm = 1x10-9 m); siguiente desarrollo se basó en el uso del Galio en combinación con el Fósforo (
GaP) con lo cual se consiguió una frecuencia de emisión del orden de los 700 nm. A pesar de que se conseguía una eficiencia de luz más elevada que con el GaAsP, ésta se producía a relativamente baja corriente, un incremento en la corriente no generaba un aumento lineal en la luz emitida, sumado a lo anterior se tenía que la frecuencia de emisión estaba muy cerca del infrarrojo, por lo que el led parecía tener bajo brillo a pesar de su superior desempeño de conversión.
Los siguientes desarrollos, ya entrada la década del setenta, introdujeron nuevos colores al espectro. Distinta proporción de materiales produjo distintos colores. Así se consiguieron colores verde y rojo utilizando
GaP, y ámbar, naranja y rojo de 630 nm (el cual es muy visible) utilizando
GaAsP. También se desarrollaron leds
infrarrojos, los cuales se hicieron rápidamente populares en los
controles remotos de los televisores y otros artefactos del hogar.
En la década del ochenta un nuevo material entró en escena el
GaAlAs (Galio-Aluminio-Arsénico). Con su introducción, el mercado de los leds empezó a despegar, ya que proveía una mayor eficiencia, su brillo era aproximadamente 10 veces superior y se podía utilizar a corrientes elevadas, lo que permitía usarlo en displays y letreros de mensajes variable. Sin embargo, este material se caracteriza por tener un par de limitaciones, la primera y más evidente es que se conseguía solamente emitir
luz roja; la segunda, que se degradaba más rápidamente.
En los años noventa se apareció en el mercado tal vez la más exitosa combinación para producir leds hasta la fecha: el Aluminio, Indio, Galio y Fósforo (
AlInGaP). Las principales virtudes de este compuesto son que se puede conseguir una gama de colores desde el rojo al amarillo cambiando la proporción de los materiales que lo componen; y segundo, su vida útil es sensiblemente mayor a la de sus predecesores, mientras que los primeros leds tenia una vida promedio efectiva de 40 000 h, los leds de AlInGaP, más de 100 000 h, aun en ambientes de elevada temperatura y humedad.
A final de los noventa, gracias a las tareas de investigación del investigador Shuji Nakamura, se llegó al desarrollo del
led azul, éste siempre había sido difícil de conseguir debido a su elevada energía de funcionamiento y relativamente baja sensibilidad del ojo a esa frecuencia (del orden de los 460 nm). Hoy en día coexisten varias técnicas diferentes para producir luz azul:
SiC (Silicio-Carbono);
GaN (Galio-Nitrógeno);
InGaN (Indio-Galio-Nitrógeno) sobre substrato de Zafiro y
GaN sobre sustrato SiC. El compuesto GaN, inventado por Nakamura, es actualmente el más ocupado.
Otras técnicas como la de
ZnSe (Zinc-Selenio) han sido dejadas de lado y, al parecer, el SiC seguirá el mismo camino, debido a su bajo rendimiento de conversión y elevada degradación con la temperatura. Dado que el azul es un color primario, junto con el verde y el rojo, tenemos hoy en día la posibilidad de formar el blanco con la combinación de los tres y toda la gama de colores del espectro, esto permite que los displays gigantes de mensajes variables se hagan cada día más habituales en nuestra vida cotidiana.
La gran variedad de colores y la excelente calidad de iluminación permite darles usos muy versátiles, por ejemplo, en pantallas gigantes o fachadas de edificios.
Su aplicación ha ido ganando terreno en áreas donde la brillantez es factor importante, como en los semáforos, alumbrado público y en las pantallas para exteriores. Actualmente ya se encuentran de manera comercial para iluminar de manera decorativa edificios, monumentos y espacios interiores de museos, galerías y hasta residencias.
Sus principales ventajas es que son muy
eficientes, aún más que las lámparas fluorescentes, incluso más durables, ya que pueden dar servicio por más de 10 años; por otro lado, son resistentes a las vibraciones, no emiten calor, son
ambientalmente ecológicos y su costo es cada vez mas accesible.
