Por Miguel Ángel Ramos. Projects & Systems Manager Schréder Socelec
En el año 2014 el Premio Nobel de Física es otorgado a los creadores del LED azul. Isamu Akasaki, de las universidades de Meijo y Nagoya, de Japón, Hiroshi Amano de la Universidad de Nagoya y Shuji Nakamura de la Universidad de California, Santa Bárbara. Fueron reconocidos con el galardón, por “la invención de los diodos emisores de luz azul eficiente, que ha permitido fuentes de luz blanca de alta emisión lumínica y que ahorran energía”.
Pese a haber sido descubierto tan sólo 20 años atrás, el LED ya ha contribuido a crear luz blanca de una manera completamente revolucionaria, novedosa y beneficiosa para todos. Cuando Akasaki, Amano y Nakamura produjeron los brillantes haces de luz azul desde sus semiconductores a principios de los años 90’, desencadenaron una transformación clave en la tecnología de la luz. Este diodo es la base de las luminarias de alumbrado público hoy en día, y ha marcado un antes y un después no sólo en su uso, sino también en el desarrollo de nuevas luminarias y en la exponencial evolución de la eficiencia del conjunto.
Pero, cuando hablamos de LED en alumbrado, nos surgen múltiples dudas… ¿cómo funciona realmente un LED?, ¿cuántos tipos de LED hay?, ¿cuáles son los principalmente utilizados en luminarias de alumbrado exterior y por qué?, ¿qué magnitudes son las importantes a valorar a la hora de elegir un LED u otro? y ¿qué nos espera en el futuro próximo para este tipo de luminarias?
Para contestar a todas estas preguntas, y antes de nada, hay que resaltar que el LED es un diodo que emite luz (Light Emitting Diode) y que un diodo es un semiconductor y que los semiconductores están hechos fundamentalmente de silicio. Los LEDs están hechos de una gran gama de elementos de la tabla periódica, pero nos ocuparemos ahora de explicar el funcionamiento del diodo a través del comportamiento del silicio, ya que este es el material fundamental y más popular de la electrónica moderna.
El silicio es un elemento muy común en la naturaleza, no suele estar en estado nativo, es decir por sí solo. Sino que suele encontrarse en forma de dióxido de silicio (arena, cuarzo, amatista y otros minerales) y silicatos (arcillas, granito). Si miramos donde se encuentra el Silicio (SI) en la tabla periódica de los elementos lo encontraremos con el numero atómico 14 y sus vecinos inmediatos son el Galio (Ga), aluminio (Al), boro (B), carbono (C), nitrógeno (N), fósforo (P), arsénico (As) y germanio (Ge), estos elementos forman parte de los distintos tipos de tecnologías de leds y son los que determinaran el color de emisión de los mismos.
Una red de silicio en su forma pura es básicamente un aislante, ya que los 4 electrones de valencia de cada átomo de silicio son utilizados para formar enlaces con sus 4 átomos vecinos Podemos hacerlo conductor al mezclarlo con pequeñas cantidades de otros elementos, a este proceso se lo denomina “dopaje”. Existen dos tipos de dopaje:
Dopaje N: En este caso el silicio se dopa con fósforo o arsénico en pequeñas cantidades. El fósforo y el arsénico tienen 5 electrones de valencia en su órbita externa, por lo que se introduce un electrón extra cuando se combina en una red de átomos de silicio. Este quinto electrón se encuentra libre para moverse, lo que permite que una corriente eléctrica fluya a través del silicio. Se necesita solo una pequeña cantidad de dopaje para lograr esta corriente, por ejemplo al agregar un átomo por cada 108 átomos de silicio se incrementa la conductividad en un factor de 10. Los electrones tienen una carga negativa, por eso se llama dopaje tipo N.
Dopaje P: En este caso el silicio se dopa con boro o galio en pequeñas cantidades. El boro y el galio tienen 3 electrones de valencia en su órbita externa por lo que termina faltando un electrón cuando se combina en una red de átomos de silicio. Este electrón faltante ocasiona que se formen huecos en la red. Estos huecos permiten que circule una corriente a través del silicio, ya que ellos aceptan de muy buena gana ser “rellenados” por un electrón de un átomo vecino, claro que esto provoca que se forme un hueco en el átomo que desprendió dicho electrón, este proceso se repite por lo que se forma una corriente de huecos a través de la red. Cabe resaltar que en todos los casos lo único que se mueve fuera del átomo son los electrones, pero en este caso dicho movimiento provoca un efecto similar o equivalente al movimiento de huecos. Al igual que con el dopaje N, se necesita solo una pequeña cantidad de dopaje para lograr esta corriente. Los agujeros tienen una carga positiva, por eso se llama dopaje tipo P
Tanto el silicio dopado N como el silicio dopado P, tienen propiedades conductoras pero a decir verdad no son muy buenos conductores de ahí el nombre de semiconductor. Por separado ambos semiconductores no dicen mucho, pero cuando se juntan producen efectos interesantes, especialmente en la zona de unión entre ambos.
Cuando se unen silicio N y silicio P se obtiene una unión semiconductora P-N que es el dispositivo semiconductor más simple, conocido con el nombre de diodo, y que es la base de toda la electrónica moderna. El diodo permite la circulación de corriente en un sentido, pero no en el sentido contrario.
Cuando sometemos el diodo a una diferencia de potencial con el terminal P al borne positivo y el terminal N al borne negativo, es decir, lo conectamos en directa, en la zona de la unión, los electrones y los huecos se recombinan formando así una corriente que fluirá en forma permanente, y que emite energía, y que además es muy duradera en el tiempo.
