En Kurt Lehovec, Carl accardo y Edward Jamgochian

En
este trabajo vamos e explicar la historia del led desde su descubrimiento en
1907, su desarrollo comercial, los diferentes tipos de leds, además de sus
aplicaciones iniciales y aplicaciones actuales.

 

1.1.      
 ¿Qué es un Led?

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Un
Led es un diodo emisor de luz. Es una fuente de luz constituida por un material
semiconductor dotado de dos terminales. La característica principal de los leds
es convertir en luz la corriente eléctrica de bajo voltaje que atraviesa su
chip. Desde el punto de vista físico un Led común se presenta como un bulbo
miniaturizado, carente de filamento o de cualquier otro tipo de elemento o
material peligroso, con la ventaja sobre otras tecnologías que no contamina el
medio ambiente.

 

1.2.       ¿Cómo funciona un Led?

Al
aplicar una tensión adecuada a los terminales, los electrones se recombinan con
los huecos en la región de la unión p-n del dispositivo, liberando energía en
forma de fotones. Este efecto se denomina electroluminiscencia, y el color de
la luz generada viene determinado por la anchura de la banda prohibida del
semiconductor.

 

2.   Historia del Led.

2.1.       Descubrimiento y primeros dispositivos.

La
electroluminiscencia fe descubierta en 1907 por el experimentador británico
Henry Joseph Round, en los laboratorios Marconi, usando un cristal de carburo
de silicio y un detector de bigotes de gato*. El inventor soviético Oleg Lósev
informó de la construcción del primer led en 1927 aunque el descubrimiento del
led no se llevó a la práctica hasta varias décadas más tarde. Kurt Lehovec,
Carl accardo y Edward Jamgochian interpretaron el mecanismo de estos primeros
diodos led en 1951, utilizando un aparato que empleaba cristales de carburo de
silicio, con un generador de impulsos y con una fuente de alimentación de
corriente, y en 1953 con una variante pura del cristal.

Rubin
Braunstein, de la RCA, informó en 1955 sobre la emisión infrarroja del
arseniuro de galio (GaAs) y de otras aleaciones de semiconductores. Braunstein
observó que esta emisión se generaba en diodos construidos a partir de
aleaciones de antimoniuro de galio (GaSb), arseniuro de galio (GaAs), fosfuro
de indio (InP) y silicio-germanio (SiGe) a temperatura ambiente y a 77 Kelvin.

En
1957, Braunstein también demostró que estos dispositivos rudimentarios podían utilizarse
para establecer una comunicación no radiofónica a corta distancia. Braunstein
estableció una línea de comunicaciones ópticas muy simple: tomó la música
procedente de un tocadiscos y la elaboró mediante la adecuada electrónica para
modular la corriente directa producida por un diodo de GaAs Arsenurio de Galio.
La luz emitida por el diodo de PbS Sulfuro de Plomo situado a una cierta
distancia. La señal así generada por el diodo de PbS fue introducida en un
amplificador de audio y se transmitió por un altavoz. Cuando se interceptaba el
rayo luminoso entre los dos leds, cesaba la música. Este montaje ya presagiaba
el empleo de los leds para las comunicaciones ópticas.

En
septiembre de 1961, James R. Biard y Gary Pittman, que trabajaban en Texas
Instruments, descubrieron una radiación infrarroja procedente de un diodo túnel
que habían construido empleando un sustrato de arseniuro de galio (GaAs). En
octubre de 1961 demostraron la existencia de emisiones de luz eficientes y el
acomplamiento de las señales entre unión p-n de arseniuro de galio emisora de
luz y un fotodetector aislado eléctricamente y construido con un material
aemiconductor. Con base en sus descubrimientos, el 8 de agosto de 1962 Biard y
Pittman produjeron una patente de titulo “Semiconductor Radiant Diode” que
describia cómo una aleación de zinc 
difundida durante el crecimiento del cristal que forma el sustrato de
una unión p-n led con un contacto del cátodo lo suficientemente separado,
permitía la emisión de luz infrarroja de manera eficiente en polarización
directa.

A
la vista de la importancia de sus investigaciones, tal como figuraban en sus
cuadernos de notas de ingeniería y antes incluso de comunicar sus resultados
procedentes de los laboratorios de General Electric, Radio Corporation of
America, IBM, Laboratorios Bell o las del Laboratorio Lincoln del Instituto
Tecnológico de Massachusetts, la Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos
les concedió una patente por la invención de los diodos emisores de luz
infrarroja de arseniuro de galio (Patente US3293513A?), que son considerados
como los primeros ledes de uso práctico. Inmediatamente después de la
presentación de la patente, la TI inició un proyecto para la fabricación de los
diodos infrarrojos. En octubre de 1962, Texas Instruments desarrolló el primer
led comercial (el SNX-100), que empleaba un cristal puro de arseniuro de galio
para la emisión de luz de 890 nm. En octubre de 1963, TI sacó al mercado el
primer led semiesférico comercial, el SNX-110.?

El
primer led con emisión en el espectro visible (rojo) fue desarrollado en 1962
por Nick Holonyak.Jr cuando trabajaba en la General Electric. Holonyak presentó
un informe en la revista Applied Physics Letters el 1 de diciembre de 1962. ?
En 1972 M Jorge Craford, un estudiante de grado de Holonyak, inventó el primer
led amarillo y mejoró la luminosidad de los ledes rojo y rojo-naranja en un
factor de diez. En 1976, T. P. Pearsall construyó los primeros ledes de alto
brillo y alta eficiencia para las telecomunicaciones a través de fibras
ópticas. Para ello descubrió nuevos materiales semiconductores expresamente
adaptados a las longitudes de onda propias de la citada transmisión por fibras
ópticas.

*Detector de
bigotes de gato: Es un dispositivo que consta de un alambre que hace contacto
con un cristal detector semiconductor.

 

2.2.       Desarrollo comercial inicial

 

Los
primeros leds comerciales fueron generalmente usados para sustituir a las
lámparas incandescentes y las lámparas indicadoras de neón así como en los
visualizadores de siete segmentos. Primero en equipos costosos tales como
equipos electrónicos y de ensayo de laboratorio, y más tarde en otros
dispositivos eléctricos como televisores, radios, teléfonos, calculadoras, así
como relojes de pulsera. Hasta 1968, los leds visibles e infrarrojos eran
extremadamente costosos, del orden de 200 dolares por unidad, por lo que
tuvieron poca utilidad práctica. La empresa Monsanto Company fue la primera que
produjo de manera masiva ledes visibles, utilizando fosfuro de Arsenio de galio
en 1968 para producir leds rojos destinados a los indicadores.

Hewlett-Packard
(HP) introdujo los leds en 1968, inicialmente utilizando fosfuro de Arsenio de
galio suministrado por Monsanto. Estos ledes rojos eran lo suficientemente
brillantes como para ser utilizados como indicadores, puesto que la luz emitida
no era suficiente para iluminar una zona. Las lecturas en las calculadoras eran
tan débiles que sobre cada dígito se depositaron lentes de plástico para que
resultaran legibles. Más tarde, aparecieron otros colores que se usaron
ampliamente en aparatos y equipos. En la década de los 70 Fairchild
Optoelectronics fabricó con éxito comercial dispositivos led a menos de cinco
centavos cada uno. Estos dispositivos emplearon chips de semiconductores
compuestos fabricados mediante el proceso planar inventado por Jean Hoerni de
Fairchild Semiconductor. El procesado planar para la fabricación de chips
combinado con los métodos innovadores de encapsulamiento permitió al equipo
dirigido por el pionero en optoelectrónica, Thomas Brandt, lograr las
reducciones de coste necesarias en Fairchild. Estos métodos siguen siendo
utilizados por los fabricantes de los ledes.

La
mayoría de los ledes se fabricaron en los encapsulamientos típicos T1¾ de 5 mm
y T1 de 3 mm, pero con el aumento de la potencia de salida, se ha vuelto cada
vez más necesario eliminar el exceso de calor para mantener la fiabilidad. Por
tanto ha sido necesario diseñar encapsulamientos más complejos ideados para
conseguir una eficiente disipación de calor. Los encapsulamientos empleados
actualmente para los ledes de alta potencia tienen poca semejanza con los de
los primeros ledes.

3.   Tipos de Led

 

3.1.       Chip Led DIP

 

Son
las luces LED tradicionales y en las que piensa la mayoría de la gente cuando
se les pide que describan un Led. Su diseño de plástico duro transparente, del
que sobresalen dos pines de conexión en paralelo. Del color de esta carcasa
dependerá la luz que emite el LED.

Estos
son usados habitualmente como indicador luminoso en diferentes productos electrónicos
debido a su baja eficiencia lumínica.

El
color de la luz que emiten estos Leds depende de su composición, la tensión de
trabajo, la freqüencia en Hertz y de la longitud de onda en nm.

A
continuación expondremos una tabla con las características de cada uno además
de una explicación de los colores principales y mas utilizados

 

3.1.1.  

Led azul

 

Los
ledes azules fueron desarrollados por primera vez por Henry Paul Maruska de RCA
en 1972 utilizando nitruro de Galio (GaN) sobre un substrato de zafiro. Se
empezaron a comercializar los de tipo SiC (fabricados con carburo de silicio)
por la casa Cree, Inc., Estados Unidos en 1989. Sin embargo, ninguno de estos
ledes azules era muy brillante.

El
primer led azul de alto brillo fue presentado por Shuji Nakamura de la Nichia
Corp. en 1994 partiendo del material Nitruro de Galio-Indio (InGaN). Isamu
Akasaki y Hiroshi Amano en Nagoya trabajaban en paralelo, en la nucleación
cristalina del Nitruro de Galio sobre substratos de zafiro, obteniendo así el
dopaje tipo-p con dicho material. En 1995, Alberto Barbieri del laboratorio de
la Universidad de Cardiff (RU) investigaba la eficiencia y fiabilidad de los
ledes de alto brillo y como consecuencia de la investigación obtuvo un led con
el electrodo de contacto transparente utilizando óxido de indio y estaño (ITO)
sobre fosfuro de aluminio-galio-indio y arseniuro de galio.

En
2001 y 2002? se llevaron a cabo procesos para hacer crecer ledes de nitruro de
galio en silicio. Como consecuencia de estas investigaciones, en enero de 2012
Osram lanzó al mercado ledes de alta potencia de nitruro de galio-indio
crecidos sobre sustrato de silicio.

3.1.2.   Led blanco y evolución

 

Los
primeros ledes blancos eran caros e ineficientes. Sin embargo, la intensidad de
la luz producida por los ledes se ha incrementado exponencialmente, con un
tiempo de duplicación que ocurre aproximadamente cada 36 meses desde la década
de los 1960.

La
emisión luminosa y la eficiencia de los ledes azul y ultravioleta cercano
aumentaron a la vez que bajó el coste de los dispositivos de iluminación con
ellos fabricados, lo que condujo a la utilización de los ledes de luz blanca
para iluminación. El hecho es que están sustituyendo a la iluminación
incandescente y la fluorescente.

Los
ledes blancos pueden producir 300 lúmenes por vatio eléctrico a la vez que
pueden durar hasta 100 000 horas. Comparado con las bombillas de incandescencia
esto supone no solo un incremento enorme de la eficiencia eléctrica sino
también un gasto similar o más bajo por cada bombilla.

3.1.3.  

Led Rojo

 

Fue
el primer led con emisión en el espectro visible. Este tipo de Led funciona con
baja densidades de corriente ofreciendo una buena luminosidad, utilizándose
como dispositivo de visualización en equipos portátiles.

El
máximo de radiación se halla en la longitud de onda 660 nm

Está
compuesto por Galio, Arsenio y Fosforo, consiste en una capa p obtenida por
difusión de Zinc durante el crecimiento de un cristal n de Galio Arsenio y
Fosforo, formado en un substrato de Galio Arsenio

Los mas utilizados actualmente
están compuestos de Galio, Aluminio y Arsenio debido a su mayor luminosidad.

 

3.1.4.   Led anaranjado y amarillo

 

Los leds
anaranjados y amarillos están compuestos por Galio Arsenio y Fosforo al igual
que sus hermanos los rojos, pero en este caso para conseguir luz anaranjada y
amarilla, así como luz de longitud de onda más pequeña, lo que hacemos es
ampliar el ancho banda mediante el aumento de fósforo en el semiconductor

 

 

 

 

 

 

3.1.5.  

Led Verde

El
led verde está compuesto por Galio y Fosforo. Debido a que este tipo de Led
posee una baja probabilidad de transición fotónica, es importante mejorar la
cristalinidad de la capa n. La disminución de impurezas alarga la vida de los
portadores, mejorando la cristalinidad.

 

 

3.2.      

Chip Led SMD

 

Las
siglas SMD significan “Surface Mounted Diode” (Diodo montado en superficie) , y
en esta opción el diodo está encapsulado en una resina semirrígida que se
suelda al circuito de forma superficial. Son mucho más pequeños y eficientes
que los originales chips DIP.

El
desarrollo de los chips SMD supuso un gran avance en la tecnología Led, al
permitir la inclusión de 3 diodos en el mismo chip. Recordemos que hasta ahora
una de las formas de conseguir luz blanca es la unión de los 3 colores
primarios, Rojo, Verde y Azul, de ahí la importancia de este avance. Con esta
combinación se consiguen también hasta 16 millones de colores diferentes.

La
otra opción para conseguir luz blanca es recubrir el chip con una capa de
fósforo que absorbe la luz azul, de ahí ese color amarillo característico. La
densidad de esta capa determina la temperatura de color del chip SMD.

 

3.3.       Chip Led COB

 

Los
chips COB son uno de los últimos avances en el desarrollo de la iluminación
Led, y su diseño se basa en la inclusión de varios diodos Led en el mismo encapsulado,
reduciendo hasta un 20% el coste de fabricación respecto a los chips SMD.

Una
de las aplicaciones de los chips COB más extendidas es su uso en dispositivos
pequeños como móviles o cámaras, ya que generan una alta cantidad de lúmenes
con una cantidad de energía muy pequeña, ideal para los flashes de estos
dispositivos.

Ofrecen
un rendimiento lumínico de hasta 120 lúmenes por vatio. Además, el diseño de
los COB permite una disipación de calor eficiente. Tienen una gran capacidad
para soportar los cambios de tensión en la corriente eléctrica y es capaz de
ofrecer un ángulo de apertura de hasta 160º, emitiendo luz multi-direccional.

 

3.4.      

Micro Led

 

Esta
tecnología, como su propio nombre indica emplea series de Leds microscópicos
para definir, por ejemplo, un pixel. Este tipo de chip Led es cada vez mas
popular en el diseño de pantallas planas ya que mejora en varios aspectos la
tecnología precedente.

Los
microLEDs proporcionan mejor contraste, menor tiempo de respuesta y mayor
eficiencia energética.

Además
de estas soluciones centradas en la iluminación, existen otros tipos de diseños
y aplicaciones basadas en la tecnología Led, desde los productos electrónicos
como televisiones, gadgets o telefonía móvil, incluso hasta la industria de la
moda.

 

4.   Aplicaciones de los leds

Los
LED son muy empleados en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado)
en dispositivos de señalización (de tráfico, de emergencia, etc.) y en paneles
informativos (el mayor del mundo es el del NASDAQ, el cual tiene 36,6 metros de
altura y está en Times Square de Manhattan). También se emplean en el alumbrado
de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas
electrónicas, etc., así como en bicicletas y usos similares. Existen además
impresoras LED. El uso de lámparas LED en el ámbito de la iluminación
(incluyendo la señalización de tráfico) es previsible que se incremente en el
futuro, ya que aunque sus prestaciones son intermedias entre la lámpara
incandescente y la fluorescente, presenta indudables ventajas, particularmente
su larga vida útil, su menor fragilidad y la menor disipación de energía,
además de que, para el mismo rendimiento luminoso, producen la luz de color,
mientras que los hasta ahora utilizados, tienen un filtro, lo que reduce
notablemente su rendimiento. Los leds blancos son el desarrollo más reciente.
Un intento muy bien fundamentado para sustituir las bombillas actuales por
dispositivos mucho más eficientes desde un punto de vista energético. También
se utilizan en la emisión de señales de luz que se trasmiten a través de fibra
óptica.

La
aplicación más directa que tienen los leds es la de conseguir una adecuada
iluminación y ambientación, según la situación lo requiera, ya que no olvidemos
que la domótica se basa en hacer la estancia en el hogar, o en un edificio
cualquiera, lo más agradable y cómoda posible.

La
domótica se está implementando en los hogares. Los leds al no ser una bombilla,
sino un circuito electrónico, hace su adaptación a la domótica mucho más
sencilla que la iluminación convencional. Los LEDs están preparados para que
puedan ser controlados por una centralita u ordenador. Desde ahí se controla:
la intensidad de la luz, la cantidad de focos que tienen que estar encendidos o
apagados, programar un horario por razones de seguridad.

 

4.1.          
Tipos de aplicaciones Led

·        
Alumbrado para suelos, pavimentos,
baños: Cada una de
estas estancias tendrá una iluminación diferente y propia acorde con sus
características.

 

·        

Alumbrado
decorativo: Es
importante para el bienestar y en cierta forma también es fin propio de la
iluminación decorar el entorno, según las necesidades de este. Se usa mucho en
locales, hoteles, restaurantes…

 

·        

Alumbrado
de exteriores: Ya que
soporta mejor las condiciones ambientales, que otros focos incandescentes

 

 

·        
Exhibidores Led y carteles: Publicidad
dinámica para locales bailables, hipermercados, Punto de venta, etc.

 

o  
Atraen
la atención del público a su logo/marca.

o  
Muy
bajo consumo

o  
Libre
de mantenimiento

o  
No
generan prácticamente calor

o  
Efectos
secuenciales programables por microprocesador

o  
Efectos
audiorritmicos ideal para locales bailables

o  
Costo
accesible ideal para venta masiva 

 

·        
Semáforo led – Semáforos a Leds para uso
vial: Semáforos led en 200 y 300 mm.

 

Modelos de 220 volts y 12 Volts.

Modelos con destellados programable
incluido

Leds específicos de tráfico (cumple
norma Americana, CEE y Argentina)

Ventajas: Bajo consumo, alto brillo y
larga vida útil (>100.000 horas)

Ideal para señalamiento autónomo en
combinación con paneles solares.

Características:

o  
Muy
bajo consumo, del 5 al 15 % de su similar con lámparas incandescentes

o  
Mínimo
mantenimiento.

o  
Hasta
10 años de vida útil

o  
Simple
recambio

o  
Reemplazo
directo de ópticas (retrofit)

o  
Condición
neutral cuando está apagado

o  
Lente
incoloro. No tiene efecto de luz fantasma causada por luz solar

o  
Cierre
hermético contra el polvo y la humedad

o  
Señalización
luminosa uniforme

o  
Alto
contraste con luz solar

o  
Mejor
visión a elevadas distancias

o  
Unidad
Óptica sellada

o  
Leds
de última tecnología, con gran luminosidad

o  
Certificado
ISO 9002. Un led quemado solo representa una pérdida porcentual de la luz total

o  
Importante
ángulo de visión

o  
Cumple
normas Americanas de la CEE y Argentinas

 

En vez de una sola lámpara
incandescente, los nuevos semáforos Led están compuestos de muchas pequeñas
lámparas leds montadas en una sola unidad. Todos los puntos luminosos juntos
forman una lámpara led más brillante que la lámpara incandescente y es un 80%
más eficiente en el ahorro de la energía.

 

Mientras que
las tradicionales lámparas incandescentes de semáforo consumen entre 69 y 150
Watts, cada lámpara led consume entre 10 y 25 Watts, dependiendo del tamaño, el
color y el tipo.

 

Los leds
proveen otros beneficios efectivos en costo también. Cuando una lámpara
incandescente falla, se quema del todo y necesita ser reemplazada cada 6 meses
a un año: Por otro lado los números puntos luminosos generados por cada led
individual, no se queman al mismo tiempo además que los leds pueden tener una
vida útil de hasta 10 años. Menos lámparas de semáforo quemadas significan
intersecciones más seguras, una importante mejora en la seguridad pública. Las
agencias del gobierno que han instalado Leds han descubierto ahorros
adicionales den el mantenimiento y costo de reemplazo de lámparas debido a que
los operarios de calle no necesitan reemplazar lámparas quemadas tan a menudo.
como una característica adicional a la seguridad los semáforos leds son más
visible en la niebla.

 

 

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