Resumen
En 2014, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura recibieron el Premio Nobel de Física por su creación de diodos eficientes emisores de luz azul, lo que facilitó el desarrollo de fuentes de luz blanca brillantes y de eficiencia energética. En los últimos años,Diodos emisores de luz (LED) ha penetrado cada vez más en el sector de iluminación del hogar y otros mercados masivos. Este artículo busca proporcionar una visión general de la física de los LED, los principales avances que culminaron en el Premio Nobel de 2014 y el potencial de conservación de energía que los LED pueden facilitar.
1. Introducción
Los diodos emisores de luz (LED) han sido parte integral de la vida diaria durante varias décadas, originadas con lámparas indicadoras y controles remotos infrarrojos en la década de 1960. Sin embargo, el Premio Nobel de Física se otorgó en 2014 específicamente para LED azules, lo que finalmente permitió la producción de luz blanca. Este artículo tiene como objetivo dilucidar la física LED fundamental para demostrar su potencial como emisores de luz superiores, particularmente para aplicaciones de iluminación. También proporcionará una breve historia de los inventos que contribuyeron a los LED modernos y explicarán la lógica detrás del Premio Nobel de Física 2014 otorgado a Akasaki, Amano y Nakamura. En última instancia, examinaré si los LED contemporáneos realmente dan como resultado la conservación de la energía, y más pragmáticamente, si es económicamente sensato que los consumidores individuales comprenBombillas LEDpara iluminación en el hogar.
2. ¿Cómo funcionan los LED de semiconductores?
Esta sección proporcionará una breve descripción de la historia de la electroluminiscencia, concentrándose en la electroluminiscencia de semiconductores inorgánicos, seguido de una descripción de la física subyacente a los LED contemporáneos. La electroluminiscencia es el fenómeno en el que se emite la luz cuando una corriente eléctrica pasa a través de una sustancia. Se puede sostener que las bombillas incandescentes (la bombilla "Edison") son electroluminiscentes; Sin embargo, en este escenario, el flujo de corriente calienta el material y los resultados de la emisión de luz únicamente a partir de la temperatura elevada del filamento. Por lo tanto, es más preciso referirse a la electroluminiscencia cuando el flujo de corriente facilita directamente el mecanismo de emisión de luz. La documentación inicial de la electroluminiscencia ocurrió en 1907 por HJ Round, empleada por la Compañía Marconi. Sesgó una muestra de carburo de silicio (entonces denominada carborundum) y observó la luz de diferentes colores de acuerdo en la colocación y el voltaje del electrodo aplicado. No comprendió el fenómeno en ese momento. Dos décadas después, Oleg Losv, un joven técnico ruso en el Laboratorio de Radio Nizhny Novgorod, logró avances significativos en la observación experimental y la comprensión de los diodos emisores de luz de carburo de silicio. Específicamente, presentó una patente en 1929 que abarca el reclamo posterior: "La invención propuesta emplea el fenómeno establecido de la luminiscencia en un detector de Carborundum e implica la utilización de dicho detector en un punto de contacto óptico de forma óptica, la transmisión de la imagen de la imagen rápida y de la imagen de la imagen, y otras aplicaciones, y otras aplicaciones, un punto de contacto de Lumina, como un punto de contacto óptico como la transmisión de la luz de la luz. Circuito de corriente ". Esto es genuinamente notable: un trabajador 26-} de un año con educación formal limitada en física patentó la transferencia de datos de alta velocidad utilizando la modulación eléctrica de una fuente de luz semiconductora en 1929. Sin embargo, las publicaciones innovadoras y las patentes de Losv, se remonta en gran medida obscenas durante décadas. En la década de 1940, la comprensión y el control mejorados de los semiconductores dieron como resultado la creación de la primera unión P - N, seguida de la invención del primer transistor. Los LED iniciales que utilizan las uniones P-I-N bien desarrolladas podrían fabricarse y mejorarse.
Un semiconductor es una sustancia cuya conductividad puede ser alterada por la introducción de impurezas conocidas como dopantes. Los semiconductores inorgánicos son materiales cristalinos como el silicio (Si), el arsenuro de galio (GAA), el fosfuro de indio (INP) y el nitruro de galio (GaN), caracterizado por bandas de energía para electrones. La banda de energía ocupada más alta se conoce como la banda de valencia, que está llena de electrones en un semiconductor sin dopar, pero la banda posterior de energía más alta, conocida como la banda de conducción, permanece completamente vacante en un semiconductor sin dopar. La disparidad de energía entre el mínimo de la banda de conducción y el más alto de la banda de Valence se conoce como la brecha de la banda del semiconductor. El proceso de emisión de luz en un semiconductor es sencillo: cuando un electrón ocupa la banda de conducción y existe una vacante en la banda de valencia (denominada agujero), el electrón de banda de conducción puede hacer la transición para ocupar el estado vacante en la banda de valencia, liberando la diferencia de energía (el espacio de la banda) como un fotón emitido (Fig. 1). El electrón y el agujero se recombinan, lo que resulta en la emisión de un fotón. Este proceso ocurre en la mayoría de los semiconductores, con excepciones notables conocidas como semiconductores indirectos, como el silicio o el germanio, donde la emisión de fotones no está permitida directamente, lo que resulta en una ineficiencia significativa. Para fabricar un LED de semiconductores, es esencial colocar a los electrones simultáneamente en la banda de conducción y los agujeros en la banda de valencia dentro del material. Aquí es donde el dopaje asume significado. Un semiconductor intrínseco funciona como un aislante, ya que los electrones en la banda de valencia permanecen inmóviles debido a la ausencia de estados disponibles para el movimiento electrónico; Sin embargo, los semiconductores pueden ser dopados en dos modales distintos. Cuando las impurezas se incorporan al cristal con un electrón adicional por átomo, estos electrones excedentes pasan a la banda de conducción. Por ejemplo, sustituir algunos átomos de GA con átomos de Si en un cristal GaAs da como resultado el dopaje de tipo N, caracterizado por la presencia de electrones en la banda de conducción. Por el contrario, se pueden introducir impurezas desprovistas de un electrón, lo que resulta en dopaje de tipo P, caracterizado por la existencia de agujeros en la banda de valencia. Un aspecto crucial es que los dopantes constituyen átomos minoritarios dentro de la estructura cristalina: un solo átomo de dopaje entre un millón de átomos estándar puede mejorar significativamente la conductividad eléctrica. Dominar el nivel de dopaje es esencial para personalizar las características eléctricas de los semiconductores. Esta experiencia, que comenzó en las décadas de 1940 y 1950, precipitó las revoluciones en microelectrónica y optoelectrónica. La configuración fundamental para la emisión de la luz de un semiconductor implica la integración de n-tipo (con electrones en la banda de conducción) y los materiales de tipo P (con agujeros o ausencia de electrones, en la banda de valencia). Cuando se someten a un sesgo eléctrico, electrones y agujeros, que atraviesan en direcciones opuestas, donde un orificio de movimiento hacia la izquierda en la banda de valencia corresponde a los electrones hacia la derecha y converge en la unión PN, lo que resulta en recombinación que emite fotones (Fig. 2). Tras la comprensión de la comunidad de investigación, la acción requerida se hizo evidente: la capacidad de sintetizar cristales de alta calidad con dopaje de tipo P y tipo N controlado con precisión. El LED inaugural GaAs Infrared se exhibió en 1962, posteriormente sucedido por los LED visibles iniciales desarrollados por otros equipos. N. Holonyak, un investigador de General Electric, abogó por la aleación GAASP, que le permitió mostrar el láser inaugural de diodos de semiconductores visibles. Es esencial reconocer a N. Holonyak, quien, entre otros, ha avanzado significativamente la comprensión y el control de los emisores de luz semiconductores. En 1963, Nick Holonyak predijo en el Digest de Reader que los LED de semiconductores eventualmente suplantarían todas las bombillas para aplicaciones de iluminación general, a pesar de los LED de semiconductores iniciales que emiten luz muy tenue y exhiben eficiencias de solo fracciones de un porcentaje debido a la calidad del material inferior. ¿Qué criterios utilizó para generar esta predicción? Holonyak reconoció que las bombillas incandescentes funcionan de manera similar a los emisores de cuerpo negro, produciendo una curva espectral correlacionada con la temperatura del filamento; A medida que aumenta la temperatura, el espectro de emisión cambia hacia longitudes de onda más cortas. Las bombillas incandescentes más eficientes emiten la luz infrarroja, que es ineficaz para la iluminación y, en cambio, funciona como una fuente de calor. La conversión de energía eléctrica a potencia óptica visible se limita inherentemente al 5%. En los LED semiconductores, la física diverge significativamente: casi el 100% de la potencia eléctrica puede transformarse en energía óptica, con una longitud de onda de emisión bien regulada (en particular, el espacio de banda determina la energía y, en consecuencia, la longitud de onda del fotón emitido). Uno puede imaginar un dispositivo equipado con LED que emiten en varias longitudes de onda visibles, cada una de las cuales exhibe una eficiencia de conversión alta (preferiblemente unidad), lo que permite la emisión de luz blanca visible (o cualquier combinación seleccionada de colores visibles) sin pérdidas térmicas (Fig. 3). Esto debería, en teoría, función; El único desafío es lograr la madurez tecnológica requerida para fabricar LED extremadamente eficientes a ciertas longitudes de onda. Este esfuerzo ocupó investigadores de semiconductores durante décadas posteriores y finalmente resultó en elPremio Nobel 2014.
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