La palabra "led" proviene de el inglés Light- Emitting Diode el diodo es un diodo que emite luz.
Albert
Einstein explicó hace muchos años el efecto fotoeléctrico de algunos
materiales. Estos materiales al ser sometidos a una corriente eléctrica generan
luz. Los leds funcionan bajo este principio fotoeléctrico y
como el mismo solo pueden crear una frecuencia determinada de luz, o sea un
solo color, sin embargo cambiando los materiales usados se puede cambiar el
color.
El
principio fotoeléctrico funciona de manera opuesta a los paneles fotovoltaicos
donde al recibir luz estos crean electricidad, los leds funcionarían básicamente con la ecuación
inversa.
La
base de la tecnología led está basada en el diodo,
este es un componente electrónico de dos puntas que permite la circulación de
energía a través de él en un solo sentido.
Básicamente el funcionamiento de un led consiste en el envío de energía a
través de los materiales conductores. Siendo más específicos se envía un
electrón a través de la banda de conducción a la de valencia y en este proceso se
pierde energía.
Esta energía perdida puede manifestarse en forma de un fotón con
amplitud, dirección y fase aleatoria. De esta manera la circulación de energía
hace que se genere luz. Sin embargo no todo es luz sino que al igual que las
lamparas convencionales las leds también desprenden calor, pero en una
cantidad mucho menor.
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| PARTES CONSTRUCTIVAS DE UN LED
Como
vemos el led viene provisto de los dos terminales correspondientes que tienen
aproximadamente 2 a 2,5 cm de largo y sección generalmente de forma cuadrada. En
la parte interna del terminal del cátodo
es más grande que el ánodo, esto es porque el cátodo esta encargado de sujetar
al sustrato de silicio, por lo tanto será este terminal el encargado de disipar
el calor generado hacia el exterior ya que el terminal del ánodo se conecta al
chip por un delgado hilo de oro, el cual prácticamente no conduce calor.
El terminal que sostiene el sustrato cumple otra misión muy importante, la de
reflector, ya que posee una forma parabólica o su aproximación semicircular,
este es un punto muy crítico en la fabricación y concepción del led ya que un
mal enfoque puede ocasionar una perdida considerable de energía o una
proyección despareja.
Por
ultimo tenemos el encapsulado epoxi que es el encargado de proteger al
semiconductor de las inclemencias ambientales y como dijimos ayuda a formar el
haz de emisión.
FRECUENCIAS DE EMISIÓN TÍPICAS DE LOS LEDS
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Para
tener una idea aproximada de la relación entre la frecuencia expresada en
nanómetros y su correspondencia con un color determinado es que a continuación
se presenta un grafico simplificado del triangulo de Maxwell o Diagrama de
Cromaticidad CIE. Cada color se puede expresar por sus coordenadas X
e Y.
LED LÁSER
El diodo láser es un dispositivo semiconductor que bajo condiciones adecuadas emite luz láser.
Láser semiconductor
Mismo principio de funcionamiento
Niveles energéticos de transición son banda de
valencia y conducción
Juntura PN
Electrones en banda de conducción “decaen” y se recombinan
liberando un fotón
Energía de mantenimiento de inversión dada por
la corriente por la juntura.
Como se construye
Tipos de láser según la longitud de onda
Encapsulado del diodo láser
Ensamblaje del diodo láser
FOTO DETECTORES
La definición básica de un foto
detector radica en su funcionamiento como transductor de luz que proporciona
una señal eléctrica como respuesta a la radiación óptica que incide sobre la
superficie sensora.
Existen dos tipos fundamentales de
detectores de luz, los térmicos y los fotónicos que operan con mecanismos de
transducción diferentes.
Los detectores térmicos absorben
(detectan) la energía de los fotones incidentes en forma de calor con lo que se
produce un incremento en la temperatura del elemento sensor que implica también
un cambio en sus propiedades eléctricas como por ejemplo la resistencia. El
cambio en esta propiedad eléctrica en función del flujo radiante recibido es lo
que permite su medida a través de un circuito exterior. La mayoría de esta
clase de foto detectores es bastante ineficientes y relativamente lentos como
resultado del tiempo requerido para cambiar su temperatura, lo que les hace
inadecuados para la mayor parte de las aplicaciones fotónicas.
Los detectores fotónicos no utilizan la
energía del fotón en forma de calor, sino que la invierten en incrementar la
energía de sus portadores de carga, con lo que se modifican las propiedades de
conducción eléctrica de los sistemas detectores en función del flujo de fotones
recibido. Este proceso de conversión implica la transformación de los fotones
incidentes en electrones, pero esta respuesta simple no tendría ninguna
relevancia si esos electrones no se ponen en movimiento para generar una
corriente, que es la magnitud que realmente podemos medir, para ello en
ocasiones hay que aplicar un campo eléctrico.
Propiedades de los detectores fotónicos
Son los más utilizados en los sistemas
de comunicaciones, están basados en la capacidad de ionización de un material
semiconductor. Para caracterizar el comportamiento de estos detectores, existen
unos parámetros fundamentales a tener en cuenta en el proceso de selección para
cada aplicación particular. Estos parámetros son
*Eficiencia cuántica
* Responsividad
*Tiempo de respuesta
*Características de ruido
Eficiencia cuántica ( 0 <= η
<= 1 )
Se define como la probabilidad de que
un fotón incidente sobre el dispositivo genere un par de portadores que
contribuyen a la corriente del detector. Dado que en general tendremos una
elevada cantidad de fotones incidiendo sobre la superficie del detector.
No todos los fotones incidentes generan
portadores que contribuyan a la fotocorriente, los efectos de reflexión en la superficie,
transparencia del material a los fotones de energía inferior a la del gap de energía prohibida del mismo, la probabilidad de
absorción cerca de la superficie del dispositivo y la rápida recombinación de
portadores en este caso por la abundancia de defectos, hace que la eficiencia
cuántica se reduzca.
Responsividad
Es un dato que suelen suministrar los
fabricantes de dispositivos y que hace referencia a la corriente que circula
por el mismo en función de la potencia óptica incidente. Si cada fotón
incidente generase un par eh, un flujo de fotones φ produciría
el mismo flujo de electrones, con lo que tendríamos una foto corriente.
por tanto, una potencia óptica
incidente
generaría una corriente eléctrica
pero debemos tener en
cuenta la fracción de fotones útiles en la generación de esa corriente, y ese
valor nos lo proporciona la eficiencia cuántica.
Tiempo de respuesta
Va a ser un parámetro
decisivo cuando la radiación incidente varía en el tiempo. Es un dato que
también aparece especificado por los fabricantes para cada dispositivo
particular, aunque en general podemos decir que los fotodiodos y sus variantes
van a ser más rápidos que los fotoconductores, siempre tendremos que referirnos
a los datos de la hojas de características. La rapidez en la respuesta a las
variaciones del flujo de fotones recibido dependerá del propio material, de las
características constructivas del componente y del circuito electrónico al que
se encuentre acoplado.
Características de ruido
Ya conocemos la respuesta ideal de un
foto detector a la potencia óptica recibida. Sin embargo el dispositivo también
genera una corriente aleatoria que fluctúa en torno a su valor medio, y estas
fluctuaciones pueden llegar a ser críticas cuando en nuestra aplicación
tengamos bajos niveles de luz. Entre las posibles fuentes de ruido, podremos
encontrar la llegada de fotones no deseados al detector, la generación
espontánea de pares eh (corriente de oscuridad), ruido de ganancia y el
ruido asociado a los circuitos electrónicos del receptor. Al ruido dedicaremos
un apartado especial al final de este capítulo.
