Fundamentos Físicos de la Emisión de Luz en LEDs

Funcionamiento de un LED: De la Corriente a la Luz

En la figura se muestra un LED alimentado por una fuente de tensión continua de U voltios. Esta tensión da lugar a un campo eléctrico en el interior del semiconductor, donde en el lado P hay huecos y en el lado N hay electrones libres. Debido a ello, los portadores de carga (huecos y electrones) se moverán por las fuerzas del campo:

• Los huecos se desplazarán hacia la derecha.
• Los electrones se desplazarán hacia la izquierda.

Al cruzar la barrera de potencial existente en la zona de depleción (o zona de la unión), estos portadores de carga se recombinan; en concreto, los electrones de la región N cruzan la barrera y se recombinan con los huecos del material P.

Teoría de Bandas de Energía

Para explicar este fenómeno es preciso recurrir a la teoría de las bandas de energía de los semiconductores:

• Banda de conducción (superior): donde se sitúan los electrones.
• Banda de valencia (inferior): donde se sitúan los huecos.

El nivel de energía de los electrones es superior al de los huecos. Al recombinarse, los electrones pasan de la banda de conducción a la de valencia, emitiendo una energía electromagnética en forma de fotones (luz). Esta energía es igual a la anchura de la banda prohibida (E_g) que separa ambas bandas.

Expresión Matemática de la Emisión

La frecuencia del fotón emitido viene expresada por la siguiente fórmula:

e · (U₁ - U₂) = E_g = h · f ⇒ f = E_g / h = e · (U₁ - U₂) / h (1)

Donde:

• h: Constante de Planck.
• U₁ y U₂: Niveles de energía (en voltios) de la banda de conducción y de valencia, respectivamente.

La longitud de onda (λ) de la radiación emitida se puede expresar en función del cambio en los niveles de tensión de las bandas (ΔU = U₁ - U₂) de forma simplificada:

λ = 1240 / ΔU

Selección de Materiales y Color

Para que la longitud de onda resultante se sitúe en la zona visible por el ojo humano (entre los 380 nm y 770 nm), es necesario elegir materiales con una anchura de banda prohibida adecuada. Por ello, se utilizan aleaciones de materiales de las columnas III y V de la tabla periódica:

• Arseniuro de galio (GaAs): emite en el infrarrojo.
• Fosfuro de galio (GaP): emite en el rojo.
• Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs).