Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Mecánica Cuántica y Mecánica Estática
LED infrarrojo Profesor: Contreras Reyes Juan Manuel 4CM3 Aguirre Rodríguez Diego Alberto Ángeles Bautista Fausto Alfonso Ferrer Gutiérrez Eduardo Hernández Aragón Marco Antonio
25 Junio 2015
Introducción Durante el curso se conoció distintos procesos cuánticos, relacionados con la luz, con los fotones, estos paquetes de energía, los cuales se emiten en forma de luz, los LED, son componentes electrónicos , los cuales tienen una emisión de luz; y es en esta práctica donde conoceremos más de los diodos LED's
Marco Teórico Diodo LED
Los diodos denominados LED aprovechan la característica que tienen los semiconductores de emitir luz cuando se hace circular a través de ellos una corriente eléctrica. Es decir un LED es un tipo de diodo que mite luz cuando se polariza en forma directa. LED -> Light Emitting Diode -> Diodo Emisor de Luz
Conociendo el LED
Los Terminales de ánodo y cátodo se pueden diferenciar radicadamente, porque tienen una indicación de fábrica en que aparece que el terminal del cátodo (k) algo más corto que el ánodo. Además, en la parte del cuerpo donde está el terminal cátodo aparece un achaflanado; mediante este es como mejor se puede identificar el terminal cátodo, ya que si el LED ha sido utilizado podemos encontrar que los terminales han sido cortados. También se puede determinar los terminales mediante el polímetro, poniendo en prueba de diodo; cuando el LED queda polarizado en forma directa se puede encender algo (depende de la pila del polímetro): el terminal ánodo será el conectado a la punta positiva del Polímetro. De esta manera también se puede saber si el LED esta averiado (como todo diodo, pude estar abierto o cortocircuitado).
Características del LED
Aparte del color de los diodos luminiscentes, sus características más relevantes son similares a las de los diodos convencionales: La Tensión Directa (VF) es la caída de tensión que se produce entre los extremos del diodo LED cuando por él fluye la corriente directa. Esta tensión suele ser del orden de 1.5 a 2.2 V para la mayor parte de los modelos. Cuando se desconoce la tensión directa exacta, bastará con tomar como valor aproximado 2 V. La Corriente de Excitación Directa (IF) es la corriente que debe circular por el diodo LED para alcanzar la intensidad luminosa esperada. Para la mayoría de los modelos, esta corriente está comprendida entre 10 y 50 mA. La Corriente Inversa (IR) es la máxima corriente que puede fluir por el diodo luminiscentes cuando a este se le aplica una tensión de polarización inversa. Este valor suele estar en torno a los 10 uA. La Disipación de Potencia es aquella parte de la potencia que el diodo luminiscente no convierte en luz y que acaba degradándose en calor, por lo que tiene que evacuarla al exterior. Por esta razón, los diodos LED se conectan en serie con una resistencia, con el fin de limitar la corriente que fluye por ellos. Para calcular dicha resistencia, se aplica la ley de Ohm al circuito siguiente.
Funcionamiento del LED
Se basa en que siempre que se hacer circular una corriente eléctrica a t ravés de una unión PN, ocurre una recombinación de electrones y huevos, y esto requiere una cierta energía que es la aportada por la tensión aplicada. Y esta energía esta liberada en forma de calor y emisión fotónica (Luz); según el material semiconductor utilizado, puede ser mayor la emisión de luz que la energía calorífica o viceversa. En materiales como silicio o germanio casi no se produce emisión fotónica, pues casi toda la energía se convierte en calor y por eso en la fabricación del diodo LED se utilizan otros materiales, cuya base es el arseniuro de galio (ArGa) combinado con otros materiales. De ésta manera la mayor parte de la energía liberada se transforma en emisión fotónica, es decir, luz. El color y el rendimiento luminoso dependen del material base y sus añadidos utilizando en su construcción. La intensidad luminosa que irradia depende, hasta cierto punto, de la intensidad eléctrica que se le hace circular. La luz aumenta conforme aumenta la intensidad, hasta que se produce la saturación (la luz deja de aumentar, empieza a cambiar de color y el diodo se avería). La estructura del Diodo LED es exactamente igual que la del Diodo Rectificador, es decir, la unión de un cristal semiconductor tipo P donde los portadores
mayoritarios son los huecos que hay en la Banda de Valencia son los electrones que hay en la Banda de Conducción.
Al igual que en el Diodo Rectificador, los electrones de la banda de conducción del Cristal N esta en un nivel energético superior al de los huecos que están en la Banda de Valencia en el cristal P. Cuando se unen los dos cristales, ocurre el mismo proceso que en el caso del Diodo Rectificador, formándose una zona de deplexión y creándose una barrera de potencial.
Tipos de LED
Actualmente existe una gran diversidad de diodos LED, y son utilizados en muy diversas aplicaciones. Lo más típicos, los que primero aparecieron, son los que emiten luz color rojo o verde; se encuentran normalmente como indicador óptico en aparatos electrónicos como ordenadores, TV, equipos de sonido, etc; para indicar la puesta en marcha, la activación de ciertos dispositivos, etc. En estos diodos LED se obtienen valores normales de LUZ con una intensidad de corriente entre 2 y 20 mA. Y la tensión entre sus terminales (caída directa) es de unos 2 V. Así, como datos prácticos de diseño para estos LED básicos se pueden considerar de una tensión de 2 V y una intensidad de 10 mA.
Aplicaciones del LED En la práctica los diodos LED´s poseen un sinnúmero de aplicaciones diferentes, que dista mucho del uso que tenían en un principio cuando se comenzaron a comercializar en la década de los años 60 del siglo pasado. Entre algunas de sus muchas aplicaciones actuales se encuentran: – Iluminación de interiores (hogares,
comercios, hospitales, etc.). – Iluminación exterior de edificios y fachadas en general. – Ambientación interior en general. – Decoración. – Cabina de ascensores. – Pasillos interiores de casas, comercios, hospitales, etc. – Escaleras y sus escalones. – Calles y parques. – Estacionamientos de coches en exteriores e interiores. – Linternas en general. – Paneles informativos y publicitarios. – Faros de coches. – Semáforos de tráfico. – Juguetes. – Guirnaldas y adornos navideños. – Rayo láser (luz coherente de color rojo, verde o azul). – Retroiluminación de pantallas TFT de televisores. – Pantallas gigantes de televisión (“Jumbo”).
Teoría de bandas. El objetivo principal de la teoría de las bandas es el de encontrar un modelo analítico o matemático, que describa cuantitativamente el comportamiento de una partícula cargada en el cristal, como si se estructurara del que tiene una partícula libre como una peculiar masa denominada masa efectiva. Cuando el electrón pasa cerca de un átomo es acelerado y cuando se aleja es desacelerado, hasta que entra dentro del campo eléctrico del siguiente átomo. Este proceso se repite átomo tras átomo, por lo que el campo de energía potencial del cristal ideal es periódico. Se sabe por la mecánica cuántica que la expresión que proporciona los niveles de energía discretos de un electrón en un pozo unidimensional y simétrico es: Considerando analíticamente el comportamiento del electrón en redes periódicas (Redes de Bravais) mediante un modelo basado en un potencial periódica de forma cuadrada en un cristal unidimensional de dimensiones infinitas se describe el potencial periódico de forma cuadrada. Para algunos valores de energía E, el primer miembro resulta mayor que la unidad por lo que el electrón no puede tener estas energías. Esta es la explicación de que aparezcan BANDAS DE ENERGIA PROHIBIDA las cuales son las GAP. Tabla de materiales contra GAP.
Material
Símbolo
GAP (eV)
Silicio
Si
1.11
Germanio
Ge
0.66
Carburo de silicio
SiC
2.86
Fosfuro de aluminio
AlP
2.45
Arseniuro de aluminio
AlAs
2.16
Antimoniuro de aluminio
AlSb
1.6
Nitruro de aluminio
AlN
6.3
Diamante
C
5.5
Fosfuro de galio (III)
GaP
2.26
Arseniuro de galio
GaAs
1.43
Nitruro de galio (III)
GaN
3.4
Material
Símbolo
GAP (eV)
Sulfuro de galio (II)
GaS
2.5
Antimoniuro de galio
GaSb
0.7
Nitruro de indio (III)
InN
0.7
Fosfuro de indio (III)
InP
1.35
Arseniuro de indio (III)
InAs
0.36
Óxido de cinc
ZnO
3.37
Sulfuro de cinc
ZnS
3.6
Seleniuro de cinc
ZnSe
2.7
Telururo de cinc
ZnTe
2.25
Sulfuro de cadmio
CdS
2.42
Seleniuro de cadmio
CdSe
1.73
Telururo de cadmio
CdTe
1.49
Sulfuro de plomo (II)
PbS
0.37
Seleniuro de plomo (II)
PbSe
0.27
Telururo de plomo (II)
PbTe
0.29
Óxido de cobre (II)
Cu2O
2.17
Infrarrojo: Rango de frecuencias. Las ondas infrarrojas están en el rango de 0,7 a 100 micrómetros. La radiación infrarroja se asocia generalmente con el calor. Ellas son producidas por cuerpos que generan calor, aunque a veces pueden ser generadas por algunos diodos emisores de luz y algunos láseres. Las señales son usadas para algunos sistemas especiales de comunicaciones, como en astronomía para detectar estrellas otros cuerpos en los que se usan detectores de calor para descubrir cuerpos móviles en la oscuridad. También se usan en los mandos a distancia de los televisores y otros aparatos, en los que un transmisor de estas ondas envía una señal codificada al receptor del televisor. En
últimas fechas se ha estado implementando conexiones de área local LAN por medio de dispositivos que trabajan con infrarrojos, pero debido a los nuevos estándares de comunicación estas conexiones han perdido su versatilidad. Los infrarrojos son clasificados, de acuerdo a su longitud de onda, de este modo -Infrarrojo cercano (de 800 nm a 2500 nm) -Infrarrojo medio (de 2.5 µm a 50 µm) -Infrarrojo lejano (de 50 µm a 1000 µm)
Led infrarrojo Los LED infrarrojos son un tipo específico de diodo emisor de luz (LED por sus siglas en inglés) que produce luz en el espectro infrarrojo. La luz en este rango no es visible para el ojo humano, pero puede ser detectada por una variedad de dispositivos electrónicos, haciendo al LED ideal para objetos como controles remotos, donde el LED no necesita ser visto para funcionar. Longitud de onda
La longitud de onda de la luz emitida por un LED infrarrojo cae en el espectro infrarrojo. Mientras este espectro es bastante ancho, la mayoría de los led emitirán luz con una longitud de onda de cerca de 1000 nm con un ancho de banda de unos 50 nm. Esto significa que un LED con valor de 1000 nm producirá luz de entre 950 y 1050 nm. Tamaño
80 por ciento de los LED producidos en el mundo tienen 5 mm de diámetro. Los LED infrarrojos no son diferentes y la mayoría de ellos tiene 5 mm de diámetro. Color
A pesar de que la luz emitida por un LED infrarrojo no es visible para el ojo desnudo, la mayoría de los LED infrarrojos tienen una cubierta morada alrededor. Esto ayuda a transmitir el color correcto de luz. Luminiscencia
El brillo de un LED se mide en mili watts (mW). A pesar de que la luminiscencia de un LED depende de la cantidad de energía con que se alimente, la mayoría de los LED producen 20 mW de luz en su punto máximo y cerca de 1 mW de luz a un nivel de operación promedio.
Desarrollo y resultados Identificar el tipo de semiconductor con el cual está hecho el Led infrarrojo.
( ) ( ) De acuerdo a la energía obtenida del led infrarrojo se comparó con la lista de materiales con respecto a su GAP y los materiales que se aproximan son el silicio y el fosfuro de indio (III). Pero los LED’s infrarrojos están hechos de silicio.
Conclusión Una vez concluida la práctica y ya conociendo cómo funcionan estos dispositivos, concluimos que un LED es un diodo capaz de emitir electroluminiscencia; esta electroluminiscencia es la emisión de luz por un sólido excitado por un campo electrostático, y se da al inyectar electrones en un semiconductor. Esta luz emitida proviene de la recombinación electrón-hueco. Cuando decimos recombina, nos referimos a que un electrón cae desde un nivel de alta energía, hasta el estado neutro o base, al ocurrir este cambio de posición en los niveles energéticos, el electrón, libera fotones los cuales son la luz que tiene una longitud de onda correspondiente a la diferencia de niveles de energía correspondientes a este cambio. Estos electrones con energía superior se obtienen mediante la polarización directa, inyectando electrones en la región n y a su vez huecos en la región p, así observamos lo estudiado en el tema de pozos de potencial y redes cristalinas Podemos ver el por proceso cuántico, respecto a las barreras de potencial que hay en el LED, que al inducir corriente en él, se generan estas caídas de electrones y recombinaciones electrón-hueco por lo cual se luz en todas direcciones, y esto tienen la suficiente energía para pasar la barrera de potencial , gracias a esto podamos ver la luz.
Bibliografía
Principios de Electricidad y Electrónica, Tomo V, Antonio Hermosa, Primera Edición, enero 2009 Marcombo, Electrónica, Pablo Alcalde San Miguel, Paraninfo
Electrónica Básica para TMA-s, Jose Manuel Miguelañez Garcia
