AdministradorTECNOLOGÍA LED CUÁNTICA. NOBEL DE FÍSICA 2014
1.1 INTRODUCCIÓN.
Akasaki, Amano y Nakamura fueron galardonados con el Premio Nobel de Física 2014 por haber inventado una nueva fuente de luz eficiente en energía y respetuosa con el medio ambiente: el diodo emisor de luz azul.
El desarrollo de novedosos sistemas materiales sigue transformando el panorama tecnológico de nuestro alrededor: sensores de movimiento, comunicaciones ultra rápidas entre dispositivos, controladores ópticos, terapias con láser… y, sobre todo, abre nuevos caminos hacia el desarrollo de nuevos microchips atómicos más potentes o súper procesadores cada vez más pequeños y eficientes.
Un led está formado por la unión de dos materiales semiconductores. Para iniciarse en esta tecnología debemos saber antes en qué consiste un semiconductor y conocer su estructura desde el punto de vista energético.
Un átomo tiene distribuidos sus electrones en distintos niveles de energía. Cuando estos átomos se agrupan, cada uno de los átomos siente la atracción de sus núcleos vecinos en distinta magnitud. Esto se traduce en que la energía de los niveles atómicos varía ligeramente. En una estructura o red infinita de átomos esto lleva a una agrupación de niveles en la denominada banda de energía. La última banda ocupada se denomina banda de valencia y la primera sin ocupar o vacía, banda de conducción.
1.2 MATERIALES SEGÚN EL MODELO DE BANDAS.
En un material conductor la banda de valencia está parcialmente llena. La agitación térmica promociona los electrones a niveles superiores o huecos vacíos. Estos niveles representan la energía del conjunto de orbitales atómicos los cuales están deslocalizados por toda la red. En otras palabras, al aplicar un campo eléctrico o diferencia de potencial, los electrones se moverán saltando de un hueco a otro generando así una corriente eléctrica.
En un material aislante la banda de valencia está totalmente llena, no dispone de niveles de energía vacíos o huecos para que los electrones puedan moverse. Además, la siguiente banda disponible tiene un alto valor de energía y es térmicamente inaccesible. El material no conduce la corriente.
En cambio, en un material semiconductor, este ancho de banda tiene un valor intermedio y los electrones pueden promocionarse térmicamente a la siguiente banda con niveles vacío o huecos denominada banda de conducción. Esto genera a su vez niveles de energía vacíos en la banda de valencia. Ahora, tanto en la banda de valencia como la de conducción, los electrones pueden moverse en presencia de un campo eléctrico.
1.3 CÓMO AUMENTAR LA CONDUCTIVIDAD INTRÍNSECA DEL SEMICONDUCTOR.
Pero ¿cómo podemos aumentar la conductividad intrínseca de un semiconductor? Por ejemplo, de silicio. Para ello tenemos que dopar el semiconductor, es decir, mezclarlo con pequeñas cantidades de otro elemento. Si queremos generar una banda por encima de la de valencia, debemos usar un elemento menos electronegativo que el propio semiconductor, puesto que sus niveles de energía serán menos atraídos por el núcleo. En cambio, si queremos generar una banda por debajo de la de conducción, debemos emplear uno más electronegativo donde sus niveles de energía estén más atraídos.
En un semiconductor del grupo 14 como es el caso del silicio, cada átomo tiene 4 electrones y se rodea de otros cuatro átomos de silicio. La banda de conducción es térmicamente accesible, con una anchura de 1,1 electrón-voltios, equivalente a la radiación infrarroja (no visible) como la que se usa en los controladores remotos. Para el diamante esta anchura es mucho mayor y no es posible acceder a estos niveles. Se dice que es un material aislante.
La conductividad de este silicio se puede mejorar con el dopaje, es decir, añadiendo pequeñas cantidades de un elemento del grupo 13, por ejemplo, aluminio, con 3 electrones, esto genera un hueco vacío en la estructura que permite que los electrones vayan saltando de hueco en hueco al aplicar un campo eléctrico. Energéticamente los niveles de energía del aluminio están por encima de la banda de valencia al ser este menos electronegativo. Esto facilita la promoción de más electrones dejando en la capa de valencia más niveles vacíos o huecos aumentando así dicha conductividad. Se dice que es un semiconductor de tipo p (positivo) ya que genera huecos sin electrones en la estructura o niveles vacíos en la banda de valencia desde el punto de vista energético.
Por el contrario, si se quiere generar un semiconductor de tipo n (negativo), se añaden pequeñas cantidades de un elemento del grupo siguiente, por ejemplo, fósforo del grupo 15, que tiene un electrón más. Desde la perspectiva del modelo de bandas, los electrones del fósforo están localizados pero la agitación térmica permite su promoción a la banda de conducción y aquí su deslocalización por toda la red permite que estos se muevan saltando de hueco en hueco al aplicar un campo eléctrico.
En la actualidad se emplean multitud de combinaciones para generar semiconductores de tipo p o n. La combinación de un elemento del grupo 13 con otro del grupo 14 genera estructuras con una vacante o de tipo p. La combinación de un elemento del grupo 14 con uno del grupo 15 conduce a un electrón de más, lo que origina un semiconductor de tipo n. O bien un semiconductor convencional con elementos del grupo 13 y 15. Con esta última combinación destaca por sus características el nitruro de galio, mil veces más eficiente que el propio silicio y con un ancho de banda de 3,4 electrón-voltios (equivalente a la emisión o radiación de ondas de color azul-violeta del espectro visible). Este semiconductor o sus combinaciones dobles, como nitruro de galio y aluminio, puede transformarse a estructuras de tipo n o p con la técnica del dopaje anteriormente descrita.
1.4 UNIÓN DE LAS ESCTRUCTURA P-N.
Pero qué ocurre si combinamos una pieza de un semiconductor de tipo p con otra de tipo n. Obtenemos el llamado diodo o semiconductor PN. Veamos qué ocurre cuando se unen estas dos estructuras.
En el punto de unión la zona p positiva atrae una pequeña cantidad de electrones polarizando esta región intermedia con cierta carga negativa a la izquierda y positiva a la derecha. Esto genera un campo eléctrico cuya fuerza en sentido contrario va frenando a los electrones hasta que estos dejan de pasar. Es la llamada región o zona de saturación, donde los huecos positivos están neutralizados.
En cambio, si conectamos este dispositivo a una fuente de corriente y se va aumentando el voltaje gradualmente para producir un campo eléctrico que genere una fuerza mayor y, en sentido contrario, al de la zona intermedia, los electrones seguirán pasando al material p positivo.
Para cerrar el circuito estos solo tienen que pasar al nivel inferior emitiendo un fotón cuya energía se corresponde con el ancho de banda. Un led puede emitir en diferentes colores controlando el ancho de banda según la naturaleza de sus materiales. La energía del fotón es directamente proporcional a su frecuencia o inversamente proporcional a la longitud de onda.
1.5 MEDIDA: LONGITUD DE ONDA DE UN LED.
La variación de voltaje en el diodo se corresponde con la diferencia de potencial asociada al band gap, es decir, al hueco, más el voltaje asociado con la propia resistencia del material, esto es, de los electrones a moverse por la red. Si consideramos este último casi inexistente, la diferencia de energía que experimenta el electrón-fotón corresponde exactamente con el trabajo cambiado de signo (W=-∆Ep) realizado sobre una carga eléctrica cuando esta se desplaza en una zona con distinto potencial, o en otras palabras, al producto de la carga q por la diferencia de voltaje existente en el hueco (∆Ep=q∆V).
Si igualamos ambas fórmulas y despejamos lambda, tenemos una expresión que permite calcular la longitud de onda emitida a partir del voltaje aplicado en los terminales del led.
Por otro lado, si reajustamos la ecuación, dejando las constantes h, c y q a un lado, y longitud de onda y voltaje al otro, podemos comprobar las parejas de lambda y voltaje para cada led.
Las medidas realizadas indican que el led rojo tiene un ancho de banda más pequeño, lo que implica un fotón de poca frecuencia o energía, o lo que es lo mismo, una mayor longitud de onda. En el otro extremo se encuentra el led azul con un salto de banda más grande lo que implica un fotón emitido de mayor energía o menor longitud de onda.
1.6. CARACTERÍSTICAS DEL DIODO LED.
En electrónica el símbolo del diodo emisor es el siguiente: ver figura. Los electrones entran por el polo negativo (el terminal más corto del led) y salen por el terminal positivo (el terminar de mayor longitud).
No obstante, por definición la intensidad de corriente I está definida en el sentido en el que se mueven los portadores de carga positivos, en este caso, los huecos. Por ello, en lugar de ver la corriente por electrones de derecha a izquierda, sería equivalente asociar una corriente de huecos de izquierda a derecha, justo lo que marca la flecha del diodo. Por definición, el cátodo es donde sale la corriente I (asociada a los huecos) y el ánodo donde entra.
Veamos ahora otra característica de interés de estos dispositivos. Si conectamos los terminales de una fuente o batería, al contrario, es decir, el polo positivo con el terminal negativo del led, se genera un campo eléctrico en el mismo sentido que el de la zona de saturación. Esto impide que siga pasando electrones al semiconductor de tipo p con lo que el circuito de corriente no se cierra. La corriente iría en sentido contrario si llegaran electrones desde el nivel más bajo del semiconductor p. Pero no es posible porque no puede superar el ancho de banda. Se dice que el diodo conduce en un solo sentido.
Ahora bien, si conseguimos irradiar los electrones del conductor p para que salten el ancho de banda, el circuito se cerraría. En otras palabras, podemos usar el led como detector de una señal electromagnética cuando esta incide sobre su superficie para generar una corriente eléctrica en un circuito. Podemos modular este salto de banda con una combinación adecuada de elementos químicos. Ejemplo de ello lo tenemos en los sensores de movimiento donde la radiación infrarroja de nuestro cuerpo es detectada por un sensor led que activa una determinada función del circuito eléctrico por medio de la corriente generada.
1.7 SÍNTESIS DE UN DIODO EMISOR DE LUZ.
El avance tecnológico ha hecho posible la fabricación de estos dispositivos a una escala inimaginable. El control de la naturaleza química de los elementos que se combinan permite la fabricación de diodos hechos a medida.
El cristal responsable de la emisión a escaña nanométrica se coloca en una cápsula reflectante. Los llamados micro leds llegan a medir la décima parte del diámetro de cabello humano.
Pero ¿cómo se consigue la configuración de capas adecuadas en estos dispositivos? La respuesta está aquí, en el MOCVD (de sus siglas en inglés). El reactor de doble flujo que inyecta por deposición química el vapor de compuestos organometálicos (trimetilgalio) junto con otros componentes, nitrógeno y amoniaco. El crecimiento de estas capas se hace de forma controlada conocido ya su mecanismo de formación.
En 1992 Nakamura obtuvo el primer led azul de alto brillo con una longitud de onda de 450 nanómetros, 100 veces más brillantes que los leds azules anteriores. Nakamura consiguió optimizar el ancho de banda con distintas combinaciones de nitruro de galio creando un pozo de potencial con distintas capas de nitruro de indio y nitruro de aluminio. En otro vídeo analizaremos con detalle la naturaleza química de esta combinación para generar un hueco hecho a medida.
La tecnología led ha crecido a pasos agigantados, generando una gran variedad de dispositivos leds. No cabe duda de que estos son mucho más eficientes, pues prácticamente toda la energía eléctrica se transforma en luz, con muy poca pérdida por calor.
Las nuevas investigaciones y los diseños de los primeros micro leds, o leds de ultravioleta seguirán transformando el mundo que conocemos actualmente.
Bibliografía:
– Física del Estado Sólido. Selección e introducción de Julio A. Alonso. Colección Investigación y Ciencia. Editorial Prensa Científica. ISBN: 978-84-7593-048-0.
– J. Verma, A. Verma, V. Protasenko, S.M. Islam, D. Jena, 12 – Nitride LEDs based on quantum wells and quantum dots, Editor(s): JianJang Huang, Hao-Chung Kuo, Shyh-Chiang Shen, Nitride Semiconductor Light-Emitting Diodes (LEDs), Woodhead Publishing, 2014, Pages 368-408, ISBN 9780857095077.
– TF.H. Yang, 2 – Modern metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) reactors and growing nitride-based materials, Editor(s): JianJang Huang, Hao-Chung Kuo, Shyh-Chiang Shen, Nitride Semiconductor Light-Emitting Diodes (LEDs), Woodhead Publishing, 2014, Pages 27-65, ISBN 9780857095077.
–Porque es Casi Imposible Hacer Luz LED Azul. Veritasium en español. La historia de NaKamura.
