¿Cómo produce luz un LED?

Cómo funcionan juntas las piezas

1. Un chip en una copa

   Este LED rojo funciona a 20 mA, la corriente con la que se prueba en su hoja de datos. La fuente está a 2,1 V pero limita la corriente a 20 mA, así que en el LED hay 2,00 V. Visto de cerca, el chip encendido descansa en el fondo de la copa reflectora acuñada en el yunque del cátodo, y un hilo de oro une su parte superior con el poste del ánodo. Gira la vista para mirar dentro de la copa, o elige el LED azul para ver un chip con dos hilos.

2. Electrones y huecos

   El corte de la derecha amplía las capas del chip: tipo n abajo, la capa activa en medio y tipo p arriba. A 0 V no circula corriente. La capa tipo n tiene electrones libres (bolas azules) y la capa tipo p tiene huecos (anillos naranjas), pero cada tipo se mantiene apartado de la capa activa: una barrera eléctrica en la unión deja un hueco a cada lado. Una tensión directa baja esa barrera y cierra el hueco. Sin ella, nada se encuentra y el chip está apagado.

3. Se encuentran y dan luz

   A 1,9 V circulan unos 6,2 mA. Los electrones suben desde el lado del cátodo y los huecos bajan desde el lado del ánodo. Donde un electrón y un hueco se encuentran en la capa activa, el electrón cae en el hueco y puede soltar su energía sobrante como un fotón de unos 1,97 eV: luz roja de 630 nm. Cada electrón recibe 1,9 eV de la fuente, un poco menos de lo que lleva el fotón; el calor tomado del cristal puede aportar la diferencia. El modelo dibuja un fotón por cada encuentro sobre la curva de la hoja de datos; en un chip real solo algunos encuentros dan luz. El brillo se dibuja en proporción a la luz, aquí el 31 % de la luz a 20 mA, así que a 1 mA (el 5 %) la cúpula se ve casi apagada: mira también la lectura de luz.

4. Un fotón azul necesita más tensión

   Aquí el LED azul de InGaN recibe 2,1 V, suficiente para llevar el LED rojo al límite de 20 mA de la fuente. El azul deja pasar menos de 0,1 mA, tan poco que la curva de su hoja de datos sigue en cero, y sigue apagado. Sus fotones llevan 2,70 eV, unos 0,6 eV más de lo que recibe cada electrón a 2,1 V, y el calor del cristal no puede aportar tanto. En el gráfico, la curva azul solo sale de cero hacia 2,4 V y llega a 1 mA hacia 2,57 V. Sube la tensión despacio hacia 2,6 V y aparecen los primeros encuentros. Al principio la mayoría son destellos marrones apagados sin fotón: encuentros que solo dan calor. Por debajo de 1 mA la curva no se puede leer, así que la lectura solo da una cota superior, y el modelo supone que la corriente extra de ahí no da luz.

5. Y entonces la corriente se dispara

   A 3,2 V el LED azul deja pasar 16,4 mA y da el 82 % de la luz que da a 20 mA. Pasado el codo, la corriente sube deprisa con la tensión y la luz sube en proporción a la corriente. Los fotones se quedan en 460 nm: más corriente da más fotones por segundo, no fotones más azules. A 20 mA este LED necesita 3,30 V, 0,60 V más de lo que llevan sus fotones; esa energía de más por electrón acaba como calor en el chip. Así que el calor va en los dos sentidos: por debajo de la energía del fotón, el calor del cristal completa a los electrones que dan luz, y por encima, la tensión de más y toda la energía de cada encuentro que no da fotón calientan el chip.

6. La energía del fotón solo orienta

   La energía del fotón solo fija más o menos dónde sube una curva. Los fotones verdes llevan 2,38 eV, 0,31 eV menos que los azules, y sin embargo a 2,9 V el LED verde deja pasar 4,9 mA mientras que el azul deja pasar 7,4 mA: en el gráfico la curva verde gruesa queda a la derecha de la azul tenue por debajo de unos 13 mA. La pieza verde necesita 2,61 V para 1 mA, 0,23 V más de lo que llevan sus fotones. Las piezas roja y amarilla tienen casi la misma curva, aunque los fotones amarillos llevan 0,13 eV más. Así que hay que leer la curva de cada LED en vez de predecirla por el color.

7. Luz que no se ve

   El chip infrarrojo de GaAlAs deja pasar 19,3 mA con solo 1,3 V. Sus fotones llevan 1,41 eV, un poco más de lo que recibe cada electrón, y de nuevo el calor tomado del cristal aporta la diferencia. Su luz de 880 nm es invisible para el ojo, así que los fotones se dibujan grises y discontinuos y la cúpula sigue oscura mientras circula la corriente. Los mandos a distancia son un uso de LED como este.

8. Conectado al revés

   Da la vuelta a la fuente y el LED la bloquea: ahora el ánodo va al lado negativo de la fuente y el cátodo al positivo. Su hoja de datos admite como mucho 10 µA a 5 V en sentido inverso (las piezas verde y azul admiten hasta 50 µA), así que el modelo no muestra corriente ni luz. Ahora la fuente aparta todavía más los electrones y los huecos de la capa activa en vez de empujarlos hacia ella. Corriente en un solo sentido: ese es el diodo de «diodo emisor de luz».

Las piezas principales

Lente de epoxi

El cuerpo de plástico transparente: un cilindro de 5 mm con la parte superior en cúpula y un reborde abajo, de unos 8,7 mm de alto, con un plano en el reborde junto al cátodo. Sujeta las piezas metálicas y su cúpula concentra la luz en un haz estrecho (las hojas de datos dan 20 grados entre las direcciones de media intensidad). Se dibuja transparente.

Pata y poste del ánodo (+)

La pata más larga, de 0,5 mm de lado, que va al polo positivo de la fuente. Dentro de la lente termina en un pequeño poste plano, y un hilo de oro va del poste a la parte superior del chip. La corriente convencional entra por aquí (la flecha de la pata).

Pata y yunque del cátodo (−)

La pata más corta, del lado del plano, que va al polo negativo de la fuente. Dentro de la lente se ensancha en el yunque, cuya cabeza lleva la copa reflectora y el chip. Los electrones entran al LED por aquí y la corriente convencional sale (la flecha de la pata). Cada pata tiene un tramo más ancho unos 4 mm por debajo del reborde, como muestran los planos del encapsulado. Las patas se dibujan acortadas; las reales miden al menos 27 mm.

Copa reflectora

Un cono poco profundo acuñado en la parte superior de la cabeza del yunque, centrado en el eje de la lente. El chip descansa en su fondo, y su pared inclinada dirige hacia arriba la luz que sale de lado.

Chip del LED

El chip donde se produce la luz, de unos 0,3 mm de lado en este dibujo, más pequeño que un grano de arena. Los chips de AlGaInP crecen sobre arseniuro de galio conductor, así que la cara inferior del chip apoya en la copa como un contacto y un solo hilo une la superior; el chip infrarrojo se dibuja igual. Las hojas de datos del verde y del azul no dicen sobre qué crecen sus chips de InGaN. Sobre zafiro, que no conduce, los dos contactos quedan arriba y hacen falta dos hilos, como se dibuja aquí; el WP7113VGC/A de Kingbright es un chip de InGaN sobre carburo de silicio conductor, que solo necesita uno.

Hilo de conexión

Hilo de oro que une la parte superior del chip con el poste del ánodo; los chips de InGaN tienen un segundo hilo desde su contacto del lado n hasta la copa del cátodo. El hilo real tiene unos 25 µm de grosor; se dibuja más grueso para que se vea.

Capa tipo n

En el corte ampliado: semiconductor dopado para que tenga electrones libres de sobra, dibujados como bolas azules. Se conecta al cátodo. El corte atraviesa las capas del chip, ampliado mucho más que el resto del dibujo y sin escala.

Capa activa

En el corte ampliado: la capa fina entre las capas tipo n y tipo p donde se encuentran electrones y huecos. Su material decide la energía del fotón y, por tanto, el color. Las capas activas reales miden solo nanómetros; aquí se dibuja mucho más gruesa.

Capa tipo p

En el corte ampliado: semiconductor dopado para que le falten electrones. Cada hueco se comporta como un portador positivo, dibujado como un anillo naranja. Se conecta al ánodo.

Electrones

Bolas azules. Con suficiente tensión directa suben desde la capa tipo n hasta la capa activa. Más corriente significa que llegan más cada segundo. Su velocidad dibujada es simbólica, no real.

Huecos

Anillos naranjas: sitios donde falta un electrón. Con suficiente tensión directa bajan desde la capa tipo p hasta la capa activa, donde cada uno puede encontrarse con un electrón.

Fotones

Cuando un electrón se encuentra con un hueco, cae en él y puede soltar su energía sobrante como un fotón, dibujado como una onda corta. La separación de las ondulaciones es proporcional a la longitud de onda real, así que las ondas azules son más cortas que las rojas. Los fotones infrarrojos se dibujan grises y discontinuos porque el ojo no los ve. Solo se dibuja la luz que sale del chip hacia arriba. El ritmo dibujado de encuentros es proporcional a la corriente: 8 por segundo mostrado a 20 mA, cuando en realidad cruzan unos 1,2 × 10¹⁷ electrones por segundo. Por debajo de 1 mA, una parte creciente de los encuentros dibujados solo da un pequeño destello marrón apagado de calor y ningún fotón: el modelo supone que la corriente extra de ahí no da luz.

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