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Instituto Tecnológico de Hermosillo

Ingeniería en Sistemas Computacionales.

Prof. Alejandro Medellín Valdez.

Materia: Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales.

Trabajo de investigación: Diodo LED.

Equipo:

  Cocoba Puebla Saúl Eduardo.

  Dávalos Pérez Jessica Merari.

  Ramírez Martínez Eva María.

  Rodríguez Ríos Erika Giovanna.

Grupo: S3-B Aula: A8-6

Martes 11 de Octubre del 2011

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 Índice

Introducción 3 Marco Teórico 4o Antecedentes 4o Definición 4o Características 5o Clasificación 5

Desarrollo 7o Principio Físico 7o Teoría de Bandas 7o Principio de Funcionamiento 8o Conexión 9o

Tecnología LED/OLED 11o Ventajas y Desventajas 12o Aplicaciones 12o Hoja de Características LED Azul 14

Conclusión 15 Bibliografía 16

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 Introducción

El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero queal ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Existen diodos LED de varioscolores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de colorrojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros.Los primeros diodos construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo,permitiendo el desarrollo tecnológico posterior la construcción de diodos paralongitudes de onda cada vez menores.En torno a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar conpotencias de 1 vatio para uso continuo; estos diodos tienen matricessemiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar talespotencias e incorporan aletas metálicas para disipar el calor generado por efectoJoule.El comienzo del siglo XXI ha visto aparecer los diodos OLED fabricados conmateriales polímeros orgánicos semiconductores. Aunque la eficiencia lograda conestos dispositivos está lejos de la de los diodos inorgánicos, y son biodegradables,su fabricación promete ser considerablemente más barata que la de aquellos,siendo además posible depositar gran cantidad de diodos sobre cualquiersuperficie empleando técnicas de pintado para crear pantallas en color.Los ledes en la actualidad se pueden acondicionar o incorporarse en unporcentaje mayor al 90% de todas las tecnologías de iluminación actuales y paracuestiones arquitectónicas especiales o de arte culturales. Todas estasaplicaciones se dan gracias a su diseño compacto.Las ventajas de esta nueva tecnología son enormes, pero también tiene una seriede inconvenientes, aunque la mayoría de estos son totalmente circunstanciales, ydesaparecerán en unos casos conforme se siga investigando en este campo y enotros conforme vaya aumentando su uso y producción.Una solución tecnológica que pretende aprovechar las ventajas de la eficienciaalta de los ledes típicos y los costes menores de los OLED son los Sistemas deIluminación Híbridos (Orgánicos/Inorgánicos) basados en diodos emisores de luz.Hoy en día, se están desarrollando y empezando a comercializar ledes conprestaciones muy superiores a las de hace unos años y con un futuro prometedoren diversos campos, incluso en aplicaciones generales de iluminación.

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 Marco Teórico

Antecedentes

El primer Led fue desarrollado en 1927 por Oleg Vladimírovich Lósev, sin embargono se usó en la industria hasta los años sesenta. Solo se podían construir de colorrojo, verde y amarillo con poca intensidad de luz y limitaba su utilización a mandosa distancia y electrodomésticos para marcar el encendido y apagado.A finales del siglo XX se inventaron los ledes ultravioletas y azules, lo que dio pasoal desarrollo del led blanco, un led de luz azul con recubrimiento de fósforo queproduce una luz amarilla, la mezcla del azul y el amarillo produce una luzblanquecina denominada “Luz de Luna” consiguiendo alta luminosidad, con lo cualse ha ampliado su utilización en sistemas de iluminación.

En particular, los diodos azules fueron desarrollados a finales de los años noventapor Shuji Nakamura, añadiéndose a los rojos y verdes desarrollados conanterioridad, lo que permitió la obtención de luz blanca. El diodo de seleniuro dezinc puede emitir también luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la rojay verde creada por fotoluminiscencia. La más reciente innovación en el ámbito de la tecnología led son los diodosultravioleta, que se han empleado con éxito en la producción de luz negra parailuminar materiales fluorescentes. Tanto los diodos azules como los ultravioletas son caros respecto de los máscomunes, siendo por ello menos empleados en las aplicaciones comerciales.

Definición

El LED (Light-Emitting Diode : Diodo Emisor de Luz), es un dispositivosemiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polarizade forma directa la unión PN en la cual circula por él una corriente eléctrica .Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia, el LED es un tipo especialde diodo que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por lacorriente eléctrica, emite luz.Fue introducido como un componente electrónico en 1962. En un principio, losLED emitían luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actuales emiten luz

de alto brillo en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta.

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Características

Dentro de las cuales destacan:  Dimensiones y color del diodo: Los LED tienen diferentes tamaños, formas y

colores. Existen LED redondos, cuadrados, rectangulares, triangulares y condiversas formas.Los colores básicos son rojo, verde y azul, aunque podemos encontrarlosnaranjas, amarillos incluso hay un Led de luz blanca.Las dimensiones en los LED redondos son 3mm, 5mm, 10mm y uno gigante de20mm. Los de formas poliédricas suelen tener unas dimensiones aproximadasde 5x5mm.

  Consumo: El consumo depende mucho del tipo de LED que se seleccione:

Color Luminosidad Consumo Longitudde Onda

Diámetro

Rojo 1.25 mcd 10 mA 660 nm 3 y 5 mmVerde,

Amarillo yNaranja

8 mcd 10 mA 3 y 5 mm

Rojo (AltaLuminosidad)

80 mcd 10 mA 625 nm 5 nm

Verde (AltaLuminosidad)

50 mcd 10 mA 565 nm 5 nm

Hiper Rojo 3500 mcd 20 mA 660 nm 5 mmHiper Rojo 1600 mcd 20 mA 660 nm 5 mmHiper Verde 300 mcd 20 mA 565 nm 5 mmAzul Difuso 1 mcd 60° 470 nm 5 mm

Rojo y Verde 40 mcd 20 mA 10 mm

Clasificación

Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cualfueron construidos:  LED Rojo: Formado por GaP consiste en una unión p-n obtenida por el

método de crecimiento epitaxial del cristal en su fase líquida, en un substrato.La fuente luminosa está formada por una capa de cristal p junto con uncomplejo de ZnO, cuya máxima concentración está limitada, por lo que suluminosidad se satura a altas densidades de corriente.Este tipo de LED funciona con baja densidades de corriente ofreciendo unabuena luminosidad, utilizándose como dispositivo de visualización en equiposportátiles.

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El constituido por GaAsP consiste en una capa p obtenida por difusión de Zndurante el crecimiento de un cristal n de GaAsP, formado en un substrato deGaAs, por el método de crecimiento epitaxial en fase gaseosa.Actualmente se emplea los LED de GaAlAs debido a su mayor luminosidad yel máximo de radiación se halla en la longitud de onda 660 nm.

  LED Anaranjado y Amarillo: Están compuestos por GaAsP para conseguirluz anaranjada y amarilla, así como luz de longitud de onda más pequeña. Loque se hace es ampliar el ancho de la "banda prohibida" mediante el aumentode fósforo en el semiconductor. Su fabricación es por crecimiento epitaxial delcristal en fase gaseosa y la formación de la unión p-n se realiza por difusiónde Zn.En estos LED se mezcla el área emisora con una trampa isoelectrónica denitrógeno con el fin de mejorar el rendimiento.

  LED Verde: El LED verde está compuesto por GaP. Se utiliza el método decrecimiento epitaxial del cristal en fase líquida para formar la unión p-n.Utiliza una trampa isoeléctrica de nitrógeno para mejorar el rendimiento.

Debido a que este tipo de LED posee una baja probabilidad de transiciónfotónica, es importante mejorar la cristalinidad de la capa n. La disminuciónde impurezas a larga la vida de los portadores, mejorando la cristalinidad. Sumáxima emisión se consigue en la longitud de onda 555 nm.

Material Longitud de Onda ColorG a As: Zn 9000 A InfrarrojoG a AsP. 4 6600 A RojoG a AsP.5 6100 A mbar

Ga AsP.85: N 5900 A AmarilloGaP: n 5600 A Verde

 Desarrollo

Principio Físico

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El fenómeno de emisión de luzestá basado en la teoría debandas, por la cual, una tensiónexterna aplicada a una unión p-n

polarizada directamente, excita loselectrones, de manera que soncapaces de atravesar la banda deenergía que separa las dosregiones.Si la energía es suficiente loselectrones escapan del material enforma de fotones.Cada material semiconductor tieneunas determinadas característicasque y por tanto una longitud de

onda de la luz emitida; por lo cual,los Led funcionan por la corrienteque los atraviesa. Su conexión auna fuente de tensión constantedebe estar protegida por unaresistencia limitadora.

Teoría de Bandas

En un átomo aislado los electrones pueden ocupar determinados nivelesenergéticos pero cuando los átomos se unen para formar un cristal, lasinteracciones entre ellos modifican su energía, de tal manera que cada nivel inicial

se desdobla en numerosos niveles, que constituyen una banda, existiendo entreellas huecos, llamados “Bandas Energéticas Prohibidas”, que sólo pueden salvar los electrones en caso de que se les comunique la energía suficiente.En los aislantes la banda inferior menos energética (banda de valencia) estácompleta con los electrón más internos de los átomos, pero la superior (banda deconducción) está vacía y separada por una banda prohibida muy ancha (~ 10 eV),imposible de atravesar por un electrón.En el caso de los conductores las bandas de conducción y de valencia seencuentran superpuestas, por lo que cualquier aporte de energía es suficientepara producir un desplazamiento de los electrones.Entre ambos casos se encuentran los semiconductores, cuya estructura de

bandas es muy semejante a los aislantes, pero con la diferencia de que la anchurade la banda prohibida es bastante pequeña. Los semiconductores son aislantes encondiciones normales, pero una elevación de temperatura proporciona lasuficiente energía a los electrones para que, saltando la banda prohibida, pasen ala de conducción, dejando en la banda de valencia el hueco correspondiente. En elcaso de los diodos LED los electrones consiguen saltar fuera de la estructura enforma de radiación que percibimos como luz (fotones).

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Principio de Funcionamiento

El funcionamiento normal consiste en que un electrón alpasar de la banda de conducción a la de valencia, pierdeenergía; esta energía perdida se puede manifestar enforma de un fotón desprendido, con una amplitud, unadirección y una fase aleatoria.El que esa energía perdida cuando pasa un electrón de labanda de conducción a la de valencia se manifieste comoun fotón desprendido o como otra forma de energíadepende principalmente del tipo de materialsemiconductor.Cuando un diodo semiconductor se polarizadirectamente, los huecos de la zona p se mueven haciala zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p;ambos desplazamientos de cargas constituyen la

corriente que circula por el diodo.Si los electrones y huecos están en la misma región,pueden recombinarse, es decir, los electrones puedenpasar a ocupar los huecos, cayendo desde un nivelenergético superior a otro inferior más estable. Este procesoemite con frecuencia un fotón en semiconductores de bandaprohibida directa con la energía correspondiente a su bandaprohibida. Estas emisiones son mucho más probables en los semiconductores debanda prohibida directa que en los semiconductores de banda prohibida indirecta.La emisión espontánea no se produce de forma notable en todos los diodos y soloes visible en diodos como los ledes de luz visible, que tienen una disposición

constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbidapor el material circundante, y una energía de la banda prohibida coincidente con lacorrespondiente al espectro visible.En otros diodos, la energía se libera principalmente en forma de calor, radiacióninfrarroja o radiación ultravioleta. En el caso de que el diodo libere la energía enforma de radiación ultravioleta, se puede conseguir aprovechar esta radiación paraproducir radiación visible, mediante sustancias fluorescentes o fosforescentes queabsorban la radiación ultravioleta emitida por el diodo y posteriormente emitan luzvisible.El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta deplástico de mayor resistencia que las de vidrio. Aunque el plástico puede estar

coloreado, es solo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luzemitida. Usualmente un led es una fuente de luz compuesta con diferentes partes,razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastantecomplejo.Para obtener buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente queatraviesa el led; para ello, hay que tener en cuenta que el voltaje de operación vadesde 1,8 hasta 3,8 voltios aproximadamente, lo que está relacionado con elmaterial de fabricación y el color de la luz que emite, y la gama de intensidades

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que debe circular por él varía según su aplicación. Los valores típicos de corrientedirecta de polarización de un led corriente están comprendidos entre los 10 y los40 mA.En general, los ledes suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corrienteque circula por ellos; en su operación de forma optimizada, se suele buscar un

compromiso entre la intensidad luminosa que producen y la eficiencia.

Conexión

Para conectar ledes de modo que iluminen de forma continua, deben estarpolarizados directamente, es decir, con el polo positivo de la fuente dealimentación conectada al ánodo y el polo negativo conectado al cátodo. Además,la fuente de alimentación debe suministrarle una tensión o diferencia de potencialsuperior a su tensión umbral. Por otro lado, se debe garantizar que la corriente que circula por ellos no exceda

los límites admisibles, lo que dañaría irreversiblemente al led. Unos circuitossencillos que muestran cómo polarizar directamente ledes son los siguientes:

La diferencia de potencial (d. d. p.) varía de acuerdo a las especificaciones

relacionadas con el color y la potencia soportada.En términos generales, pueden considerarse de forma aproximada los siguientesvalores de diferencia de potencial: 

  Rojo = 1,8 a 2,2 voltios.  Anaranjado = 2,1 a 2,2 voltios.  Amarillo = 2,1 a 2,4 voltios.  Verde = 2 a 3,5 voltios.  Azul = 3,5 a 3,8 voltios.

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  Blanco = 3,6 voltios.Lo común es de 10 miliamperios para ledes de baja luminosidad y 20 mA paraledes de alta luminosidad; un valor superior puede inhabilitar el led o reducir demanera considerable su tiempo de vida.Otros ledes de una mayor capacidad de corriente conocidos como ledes de

potencia (1 W, 3 W, 5 W, etc.), pueden ser usados a 150 mA, 350 mA, 750 mA oincluso a 1000 mA dependiendo de las características opto-eléctricas dadas por elfabricante.Cabe recordar que también pueden conectarse varios en serie, sumándose lasdiferencias de potencial en cada uno. También se pueden hacer configuracionesen paralelo, aunque este tipo de configuraciones no son muy recomendadas paradiseños de circuitos con ledes eficientes.

Tecnología LED/OLED

En corriente continua (CC), todos los diodos emiten cierta cantidad de radiacióncuando los pares electrón-hueco se recombinan; es decir, cuando los electrones

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caen desde la banda de conducción de mayor energía a la banda de valencia demenor energía, emitiendo fotones en el proceso.Indudablemente su color dependerá de la altura de la banda prohibida, es decir,de las diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia de losmateriales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten

radiación infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materialesespeciales pueden conseguirse longitudes de onda visibles.Los ledes e IRED tienen geometrías especiales para evitar que la radiaciónemitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo.

Compuestos empleados en la construcción de ledes 

Compuesto ColorLong. de

onda

Arseniuro de galio (GaAs) Infrarrojo 940 nm

Arseniuro de galio y aluminio

(AlGaAs)Rojo e infrarrojo 890 nm

Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP)Rojo, anaranjado y

amarillo 630 nm

Fosfuro de galio (GaP) Verde 555 nm

Nitruro de galio (GaN) Verde 525 nm

Seleniuro de zinc (ZnSe) Azul

Nitruro de galio e indio (InGaN) Azul 450 nm

Carburo de silicio (SiC) Azul 480 nm

Diamante (C) Ultravioleta

Silicio (Si) En desarrollo

Ventajas y Desventajas

  Dentro de las Ventajas:

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Fiabilidad, mayor eficiencia energética, mayor resistencia a las vibraciones,mejor visión ante diversas circunstancias de iluminación, menor disipaciónde energía, menor riesgo para el medio ambiente, capacidad para operarde forma intermitente de modo continuo, respuesta rápida, etc.

Así mismo, con LED se pueden producir luces de diferentes colores con un

rendimiento luminoso elevado, lo que supone una reducción de sueficiencia energética. También se utilizan en la emisión de señales de luzque se trasmiten a través de fibra óptica. 

  Dentro de las Desventajas: Su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible bajo una

fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°.Este último problema se corrige con cubiertas difusores de luz.

Aplicaciones

Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aireacondicionado, equipos de música, etc., y en general para aplicaciones de controlremoto, así como en dispositivos detectores, además de ser utilizados paratransmitir datos entre dispositivos electrónicos como en redes de computadoras ydispositivos como teléfonos móviles, computadoras de mano, aunque estatecnología de transmisión de datos ha dado paso al bluetooth en los últimos años,quedando casi obsoleta.Los ledes se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estadoencendido/apagado en dispositivos de señalización y en paneles informativos.También se emplean en el alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos

móviles, calculadoras, agendas electrónicas, así como en bicicletas y usossimilares.Los ledes de luz blanca son uno de los desarrollos más recientes y puedenconsiderarse como un intento muy bien fundamentado para sustituir los focos obombillas actuales por dispositivos mucho más ventajosos.También se utilizan en la emisión de señales de luz que se trasmiten a través defibra óptica. En los inicios de la fibra óptica eran usados por su escaso coste, yaque suponían una gran ventaja frente al coaxial.Por último, la pantalla de ledes, una pantalla muy brillante, formada por filas deledes verdes, azules y rojos, ordenados según la arquitectura RGB, controladosindividualmente para formar imágenes vivas, muy brillantes, con un altísimo nivelde contraste, entre sus principales ventajas frente a otras pantallas se encuentran:Buen soporte de color, brillo extremadamente alto, lo que le da la capacidad de sercompletamente visible bajo la luz del sol, y altísima resistencia a impactos.Los LED se utilizan ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras decierta situación específica de funcionamiento y desplegar contadores,principalmente: Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continúa. Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna. En dispositivos de alarma.

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Hoja de Especificaciones.

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 Conclusión

Un Diodo emisor de luz es un semiconductor que emite luz incoherente deespectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión ON del mismo ycircula por él una corriente eléctrica. Este fenómeno es una forma de

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electroluminiscencia. El color y longitud de onda depende del materialsemiconductor empleado en la construcción del diodo y puede variar.Cuando un LED se encuentra en polarización directa, los electrones puedenrecombinarse con los huecos en el dispositivo, liberando energía en forma defotones. Este efecto es llamado electroluminiscencia y el color de la luz, que es

correspondiente a la energía del fotón, se determina a partir de la banda deenergía del semiconductor.Por lo general, el área de un LED es muy pequeña, y se pueden usarcomponentes ópticos integrados para formar su patrón de radiación. Los ledespresentan muchas ventajas sobre las fuentes de luz incandescente y fluorescente,principalmente con un consumo de energía mucho menor, mayor tiempo de vida,tamaño más pequeño, gran durabilidad, resistencia a las vibraciones; por lo queno es frágil y reduce considerablemente la emisión de calor.Se utilizan ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de ciertasituación específica de funcionamiento, como para desplegar contadores, indicarla polaridad de una fuente de alimentación de corriente alterna o continua y en

dispositivos de alarma.Y debido a sus altas frecuencias de operación son también útiles en tecnologíasavanzadas de comunicaciones. Los ledes infrarrojos también se usan en unidadesde control remoto de muchos productos comerciales incluyendo televisores,cámaras de monitoreo, reproductores de DVD, entre otras aplicacionesdomésticas

 Bibliografía

  http://html.rincondelvago.com/diodos_2.html 

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16

  http://www.monografias.com/trabajos60/diodo-led/diodo-led.shtml 

  http://www.unicrom.com/Tut_diodo_led.asp 

  http://es.wikipedia.org/wiki/Led 

  http://www.consumer.es/web/es/tecnologia/hardware/2006/01/09/ 148391.php