La mecánica cuántica en lámparas LED

Autor: 

Augusto A Iribarren Alfonso
|
07 Julio 2017
| |
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Es ya conocimiento común el hecho de que la sustancia, o sea, todo lo que palpamos y vemos y hasta lo que no vemos, está formada por átomos.

Los átomos, en su concepción más básica y ya anticuada[1], están formados por un núcleo con carga eléctrica positiva de positrones, que son quienes dan la carga, y neutrones y por los electrones con carga eléctrica negativa que orbitan alrededor de aquel, debido a la atracción electrostática que ejerce el núcleo positivo sobre ellos.

Pero esos electrones no forman un bulto girando alrededor del núcleo, sino que poseen una estructura de órbitas, denominadas orbitales, unas más cerca del núcleo, donde los electrones son más atraídos y otras más alejadas de este, donde ocurre lo contrario.

 La disposición o configuración de los electrones en el átomo está regulada por las leyes de la mecánica cuántica y directamente relacionada por la solución de la llamada ecuación de Schrödinger[2].

Cuando hay considerables átomos juntos, como en un material sólido cualquiera, la unión de muchos orbitales forma bandas de energía, más que aislados niveles de energía. En un sólido se forman varias bandas de energía. La última de ellas, ocupada por  electrones del átomo es la más energética y se denomina banda de valencia. Los electrones de la banda de valencia están alejados del núcleo y menos atraídos por él, por lo que podrían liberarse más fácilmente.

A energías mayores aparece la llamada banda de conducción.  Los electrones que llegan allí se consideran libres, o sea, ya no están atados al átomo. Entre las bandas de valencia y conducción se encuentra la banda prohibida, en la cual, para un material perfecto (que en la realidad no existe), no puede haber ningún electrón.

Cuando la banda prohibida no existe porque las bandas de valencia y conducción se solapan, muchos electrones ya de hecho están libres: el material es un conductor eléctrico, como es el caso de los metales. Si la diferencia de energía entre el tope de la banda de valencia y el fondo de la banda de conducción es muy grande, o sea, que la banda prohibida posee valores altos, el material es un aislante eléctrico o dieléctrico, como muchos plásticos, cerámicas y madera, pues se necesita mucha energía para que los electrones salten a la banda de conducción. Cuando la banda prohibida tiene valores intermedios entre un conductor y un aislante, el material se denomina semiconductor.

Estructura de banda según el material.

Para que un material sea considerado semiconductor el ancho energético de la banda prohibida debe estar cercano al rango de energía de los fotones[3] de los colores. Los colores corresponden a un rango de energía que va desde el rojo -aproximadamente 1.7 eV[4]- hasta el violeta -de alrededor de3.3 eV-, aunque el rango puede extenderse algo más hacia el infrarrojo. Es decir, energías menores que las del rojo y hacia el ultravioleta, hasta energías mayores que la del violeta. Ha de aclararse que la condición de semiconductor no se da solo por el ancho de la banda prohibida, sino que es relevante también su conductividad, o sea, sus propiedades de conducción eléctrica.

Si un electrón que se encuentra en la banda de conducción “cae” a la banda de valencia, esa transición es llamada recombinación. En rigor el electrón no cae de un nivel a otro, sino que “desaparece” de uno al “soltar” la energía que le sobra y “aparece” en el otro. El electrón suelta esa energía en forma de fotón; quiere decir, que hay emisión de luz.

A este fenómeno se le denomina luminiscencia, que es una de las dos formas básicas de emisión de luz. La otra es la incandescencia, que ocurre a partir del calentamiento de los materiales y está relacionada con la vibración de los propios átomos, como son los casos de la antigua bombilla incandescente o el fuego. La luminiscencia por su parte, se vincula con transiciones de electrones. El proceso inverso, o sea, la transición de un electrón desde un nivel energético menor a uno mayor se denomina excitación y ocurre mediante absorción de energía.

Esquemas de los procesos de excitación de los electrones por absorción de energía y de recombinación de electrones con emisión de luz.

Así, ya conocidos los principios básicos de la mecánica cuántica en los semiconductores, se puede fabricar la lámpara LED. Para ello ha de verse primero qué es un LED.

Su nombre viene de las siglas del inglés de diodo emisor de luz (Light Emitting Diode), formado por la unión de semiconductores con características de conductividad diferentes.

La característica de conductividad necesaria reside en que el semiconductor posea abundancia de electrones que los hace llamarlos tipo n o tenga déficit de ellos (tipo p). El déficit de electrones en semiconductores tipo p equivale a un exceso de sitios vacíos donde debían estar los electrones que faltan y que se llaman huecos.  Esto se logra mediante la introducción en el semiconductor de impurezas, o mejor decir, de átomos que inducen el desbalance de electrones aunque no afecta el equilibrio electrónico del material.

Cuando se unen dos semiconductores, uno tipo n y otro tipo p, se forma una unión p-n que constituye un diodo, dispositivo que permite el paso de la corriente en sentido tipo p à tipo n, pero limita la corriente en sentido contrario. Si se inyectan electrones mediante corriente eléctricas a un diodo, los electrones se mueven por la banda de conducción.

Al llegar estos electrones a la parte p del diodo, pueden recombinarse con los huecos de la banda de valencia y emitir luz, en un proceso que se denomina electroluminiscencia. El color de la luz está directamente relacionado con el ancho energético de la banda prohibida. Por ejemplo, un LED rojo (fotones con energías de 1,65 eV a 2 eV) se puede construir usando arseniuro de galio-aluminio (AlGaAs) o fosfoarseniuro de galio (GaAsP); para un LED verde (2,2 eV a 2.5 eV) se puede usar fosfuro de galio (GaP) o nitruro de galio-indio (InGaN) y para uno azul (2,5 eV a 2,8 eV) sirve el seleniuro de zinc (ZnSe) o el nitruro de galio-indio (InGaN).

Esquema del trabajo interno de un LED en que se muestra el circuito de alimentación y el diagrama de bandas.

Para la iluminación doméstica que es blanca, los LEDs  no son directamente útiles, pues emiten en un color específico. Por esa razón sí son ventajosos como luces indicadoras en los semáforos modernos y en los equipos electrónicos. Así, se requiere hacer algo más. Una variante para obtener luz blanca es combinar tres LEDs que emitan en colores rojo, azul y verde (modelo de color RGB) respectivamente. La activación de parte o todos ellos permite obtener la gama de colores de la luz visible. Pero este método es caro.

La otra variante es utilizar la fotoluminiscencia o fluorescencia de un material que emita de manera tal que la luz resultante sea blanca. Tal proceso también está regido por las leyes de la mecánica cuántica. Los materiales que se utilizan para ello son llamados fósforos, que no tienen por qué contener el elemento fósforo y no debe confundirse con él, pero que son como el recubrimiento de los tubos de las lámparas de luz fluorescente. Los fósforos son óxidos, nitruros, oxinitruros, sulfuros y otras sales.

Uno de los más conocidos es el sulfuro de zinc (ZnS) impurificado (activado) con plata o cobre. El fósforo se deposita sobre la superficie emisora de un LED azul o ultravioleta que son los colores que lo excitan con más eficiencia. La fluorescencia del fósforo ocurre en el amarillo, con lo que la suma de las emisiones amarilla del fósforo y azul del LED producen la luz blanca. Las tonalidades de esta luz blanca se pueden modificar variando el espesor de la capa de fósforo.

Esquema del LED azul recubierto con fósforo y de la combinación de emisiones de luz amarilla y azul en el modelo RGB.

Ya casi está construida la lámpara LED. Solo queda unir varios LEDs recubiertos con fósforo, fijarlos en un soporte y que queden conectados a un circuito eléctrico adecuado. En los LEDs se necesita corriente directa, pero eso se resuelve con un simple rectificador incluido en el circuito; no son necesarios ni el encendedor ni la reactancia o “balasto” y hasta pueden conectarse directamente a la corriente de la casa.

En resumen, la “sencilla” mecánica cuántica nos ha permitido ahorrar mucha energía y ganar en calidad de iluminación de manera muy significativa. La iluminación de una lámpara LED de 9 W puede sustituir con creces a un bombillo incandescente de 60 W de potencia, a una lámpara fluorescente de 20 W o a un bombillo ahorrador (lámpara fluorescente compacta, LFC) de unos 14 W. Así, además de la mayor durabilidad y mucha mejor calidad de luz, el consumo de energía de una lámpara LED es menor en un 85 por ciento que el de un bombillo incandescente; en un 40 por ciento que una lámpara fluorescente y en un 30 que un bombillo ahorrador.

Lámpara abierta donde se aprecian los LEDs cubiertos del fósforo que se ve color amarillo. Esta lámpara posee un total de 60 LEDs.


[1] El átomo no está formado solo por neutrones y protones en su núcleo y electrones, sino que su estructura es más compleja con la participación de otras partículas subatómicas.

[2] Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887 – 1961) fue un físico austríaco, naturalizado irlandés, que realizó importantes contribuciones en los campos de la mecánica cuántica y la termodinámica. Recibió el Premio Nobel de Física en 1933 por haber desarrollado la ecuación que lleva su nombre.

[3] Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio. El fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias.

[4] eV, electronvolt, es una unidad de energía que se usa habitualmente para referirse a energías tan pequeñas como las de un fotón o cuanto de energía.

 

Dr. Augusto A. Iribarren Alfonso. Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales

Universidad de La Habana

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