¿Qué hay dentro de un LED?

Los LED son diodos especiales que emiten luz cuando se les conecta a un circuito. Son empleados frecuentemente como luces “piloto” en dispositivos electrónicos para indicar si un circuito está cerrado o no. Encapsulado en una pequeña cúpula de resina de color claro (aunque puede ser oscura) se encuentra el corazón del LED, el chip semiconductor.

Los dos cables que se extienden bajo la cubierta de resina, o “bombilla”, indican el modo en que el LED debe conectarse al circuito. El cable correspondiente al lado negativo de un LED se distingue por dos rasgos: 1) sale del interior del lado plano inferior de la bombilla (el positivo sale desde el borde), 2) su extensión es más corta que la del cable positivo. El polo negativo debe conectarse al Terminal negativo de la batería. Los LED operan a voltajes relativamente bajos, entre 1 y 4 voltios, y conducen corrientes entre 10 y 40 miliamperios. Si se aplican voltajes o corrientes por encima de estos valores, el chip del LED se puede derretir.

La parte más importante de un diodo emisor de luz (LED) es el chip semiconductor ubicado en el centro de la bombilla tal y como se muestra a la derecha. El chip tiene dos regiones separadas por un empalme. La región p está dominada por las cargas eléctricas positivas, mientras que en la región n dominan las negativas. El empalme actúa como una frontera para los electrones entre las regiones n y p. Solo cuando se aplica el voltaje suficiente al chip semiconductor, logra fluir la corriente, y es entonces cuando los electrones cruzan el empalme y llegan a la región p.

En ausencia de una diferencia de potencial eléctrica (voltaje) lo bastante grande, llegando a través de los polos del LED, el empalme actúa como una barrera para el flujo de electrones.

¿Qué causa la emisión de luz de un LED y qué determina el color de esta?

Cuando se aplica al chip un voltaje suficiente mediante los polos del LED, los electrones pueden moverse con facilidad en solo una dirección a través del empalme entre las regiones p y n. En la región p existen muchas más cargas positivas que negativas. En la región n los electrones son más numerosos que las cargas eléctricas positivas. Al aplicarse un voltaje suficiente, la corriente empieza a fluir, los electrones de la región n adquieren suficiente energía como para moverse a través del empalme hacia la región p. Una vez que los electrones llegan a la región p son atraídos inmediatamente por las cargas positivas debido a las mutuas fuerzas de atracción de Coulomb entre partículas con carga opuesta. Cuando un electrón pasa lo suficientemente cerca de una carga positiva de la región p, las dos cargas se “recombinan”.

Cada vez que un electrón se recombine con una carga positive, la energía potencial eléctrica se convierte en energía electromagnética. Por cada recombinación de una carga negativa y positiva, se emite un cuanto de energía electromagnética, en forma de fotón lumínico, con una frecuencia característica del material semiconductor (normalmente una combinación de los elementos químicos: galio, arsénico y fósforo). Cada material emite fotones únicamente en un rango de frecuencia muy estrecho. Los diodos que emiten luces de colores distintos están realizados con otros materiales semiconductores y requieren diferentes energías para iluminarse.

LED LASER -LD

•Para convertir un LED en un LED LASER relacionemos la teoría del LED con la teoría de láser:

•El LED está formado por una juntura PN de material semiconductor directo como el Arseniuro de Galio Ga As.
•En un LED la corriente de polarización directa que es la que produce una inyección de portadores minoritarios que se recombinan produciendo la emisión de fotones y que es una emisión espontánea produciendo emisión incoherente.
•Para el LED la respuesta espectral determina el ancho de línea, que es bastante angosta, casi monocromática
•La respuesta en frecuencia está determinada por los tiempos de conmutación try tfde los parámetros eléctricos (capacidades)
•Para obtener un LASER (Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación) se necesitan tres condiciones básicas:
•El medio activo en condiciones.
•La excitación o Bombeo para producir la inversión de población
•La cavidad resonante
•Al medio activo lo provee el material semiconductor de la juntura P-N.
•La excitación o Bombeo la produce la corriente que inyecta portadores minoritarios de muy alto nivel.
•La cavidad resonante formada por los espejos reflectores la forma las paredes espejadas del LED
•Para que la corriente directa produzca la inversión de la población, o sea tener una región del dispositivo donde existan gran cantidad de electrones libres y estados vacantes o huecos disponibles en menor proporción, se logra en una juntura altamente contaminada N y P. Esta juntura está formada por materiales degenerados por su alta contaminación.
•Se puede observar en las figuras en condiciones de equilibrio y con polarización directa.
•Cuando se tiene polarización directa, justo en la juntura se logra la inversión de población.
•La oscilación láser se logra cuando la ganancia a lo largo del recorrido del has en el LD es mayor que las perdidas sufridas en el camino.
•Es importante destacar que la acción de amplificación óptica es transversal al sentido de circulación de corriente.
•Otra cuestión importante a destacar es que las densidades de corriente que se manejan son muy altas del orden de 400A/cm2 . Esto hace que este LD no pueda funcionar en forma continua por la gran disipación de energía que provoca. Debe Trabajar en forma pulsante.
•Otra cuestión a destacar es la radiación o potencia lumínica emitida en función la corriente de polarización. Se observa netamente una corriente de umbral, llamada corriente de laseo a partir de la cual aparece el efecto láser, o sea que el haz de luz es coherente. Por debajo de este valor de corriente umbral de laseo, la emisión es espontánea, o sea luz incoherente. En esta región el diodo no es mas que un LED de potencia.
•Se observa que el índice de refracción en la zona activa o zona de inversión de población es mayor comportándose como una guía de onda dentro del materia

Fotodetector

La definición básica de un fotodetector 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 fotodetectores son 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,  Dado su origen, la corriente así generada recibe el nombre de fotocorriente.