LED de colors: com s'aconsegueixen els diferents colors?

Els LED de colors ens han vingut acompanyant en els darrers anys. Cada cop apareixen noves tonalitats de LEDs, ja que no ha estat fàcil en tots els casos. Per exemple, com a curiositat, hauries de saber que els LEDs de llum blanca i els de llum blava han estat dels darrers en arribar al mercat.

Actualment, s'han transformat en un tipus de díode essencial per a molts camps. Per això, en aquest article aprendràs tot el que cal saber sobre aquests components electrònics bàsics, i sobre per què emeten llum, per què d'aquests colors, i molt més…

Fonts d'emissió de llum semiconductores

Com hauríeu de saber, les dues fonts d'emissió de llum que poden provenir de dispositius semiconductors són els díodes Làser i els díodes LED. Mentre que LED es basa en l'emissió espontània, els làser es basen en l'emissió estimulada. Aquesta és la diferència entre tots dos.

Els díodes emissors de llum (Light Emitting Diode) són la font de llum més comuna entre els equips electrònics. Es fan servir per poder mostrar l'hora en rellotges digitals, per senyalitzar el funcionament o la càrrega de la bateria, etc. Les aplicacions són moltes, i ara també han saltat a la il·luminació amb les noves bombetes LED per il·luminar tota mena de sales i fins i tot per als vehicles.

Aquests dispositius LED pertanyen al grup dels opto-semiconductors, capaços de convertir un corrent elèctric en una llum. Aquest dispositiu dil·luminació té el gran avantatge de ser durador, ja que no es fon com les bombetes, i també és molt més eficient, de manera que el consum és molt inferior a les bombetes convencionals. A més, el cost de fabricació és molt baix, per tot això s'han fet tan populars.

Com qualsevol altre dispositiu semiconductor, el LED compta amb els elements principals bàsics, com són les zones P amb buits (+) i les zones N amb electrons (-), és a dir, els portadors de càrrega habituals de qualsevol semiconductor. I això fa que:

• Quan el costat P està connectat a una font d'alimentació i el costat N a terra, la connexió està polaritzada de forma directa, permetent que el corrent flueixi a través del díode i emetin la llum que tots podem veure.
• Si el costat P es connecta a terra i el costat N a la font d'alimentació, es diu que la connexió està polaritzada de forma inversa, cosa que impedeix el pas del corrent. Ja saps que els díodes impedeixen el pas de corrent en un sentit.
• Quan està polaritzat de forma directa, els portadors de càrrega majoritaris i minoritaris del costat P i del costat N es combinen entre si, i neutralitzen els portadors de càrrega a la capa d'esgotament de la unió PN. I, alhora, aquesta migració d'electrons i buits allibera certa quantitat de fotons, és a dir, part de l'energia s'emet en forma de llum, amb una longitud d'ona constant (monocromàtica). Això és el que caracteritzarà el color del LED, ja que depenent de la longitud d'ona que emeti podrà ser un IR, blau, groc, verd, groc, ambre, blanc, vermell, UV, etc.
• La longitud d'ona emesa de l'espectre electromagnètic i, per tant, el color està determinat pels materials semiconductors que formen la unió PN del díode. Per tant, es pot variar o jugar amb els compostos semiconductors per crear colors nous dins de l'espectre o rang visible.

Cal dir que els colors vermell, blau i verd (RGB o Red Green Blue) es poden combinar fàcilment per poder produir llum blanca. Daltra banda, cal dir que el voltatge de treball dels LED també varia en funció del color. Per exemple, els colors vermell, verd, ambre i groc necessiten al voltant de 1.8 volts per funcionar. I és que el rang de voltatge de treball del díode emissor de llum es pot determinar segons el voltatge de ruptura del material semiconductor utilitzat per a la fabricació del LED.

Tipus de LED

Es poden catalogar els LED de diverses maneres, una de les principals és fer-ho segons la longitud d'ona que emeten, deixant dues categories:

•  LED visibles: són els que emeten longituds d'ona dins de l'espectre visible, és a dir, entre els 400nm i els 750nm. Aquest rang és el que pot veure l'ull humà, igual que al canvi del so només podem escoltar entre els 20 Hz i els 20 Khz. Per sota dels 20 Hz són infrasons que no podem escoltar, i per sobre dels 20 Khz són ultrasons que tampoc no podem captar. En el cas de la llum passa una cosa semblant, tenint els infrarojos o IR quan es baixa per sota dels 400 nm i la llum ultraviolada quan es puja dels 750 nm. Tots dos són invisibles per a l'ull humà.
•  LED invisibles: són aquelles longituds d'ona que no podem veure, com és el cas d'un díode IR o un díode UV.

Els LED visibles s'utilitzen principalment per a la il·luminació o senyalització. Els LED invisibles es fan servir en aplicacions que inclouen interruptors òptics, anàlisis i comunicacions òptiques, etc., amb l'ús de fotosensors.

Eficiència

Com sabeu, l'enllumenat LED és molt més eficient que el convencional, de manera que consumeix molta menys energia. Això és degut a la naturalesa dels LEDs. I a la següent taula pots veure la relació entre el flux lluminiós i la potència d'entrada elèctrica subministrada al LED. És a dir, es pot expressar en lúmens per watt (lm/W):

Construcció LED

Font: ResearchGate

La estructura i la construcció dels díodes emissors de llum són molt diferents de les d'un díode normal, com pot ser un zener, etc. La llum s'emet des del LED quan la seva unió PN estigui polaritzada de forma directa. La unió PN està coberta per una cúpula hemisfèrica de resina epoxi sòlida i plàstica transparent que protegeix lʻinterior del LED de les pertorbacions atmosfèriques, les vibracions i els xocs tèrmics.

La unió PN es forma utilitzant els materials de banda prohibida més baixos, com arseniur de gal·li, fosfur d'arseniur de gal·li, fosfur de gal·li, nitrur d'indi i gal·li, nitrur de gal·li i alumini, carbur de silici, etc. Per exemple, els LED de color vermell es construeixen amb substrat d'arseniur de gal·li, els de color verd, groc i taronja sobre fosfur de gal·li, etc. Als vermells, la capa tipus N es dopa amb tel·luri (Te) i la capa P es dopa amb zinc (Zn). D'altra banda, les capes de contacte es formen usant alumini al costat P i estany-alumini al costat N.

A més, has de saber que aquestes unions no emeten molta quantitat de llum, de manera que la cúpula de resina epoxi està construïda de manera que els fotons de llum emesos per la unió PN es reflecteixen i s'enfoquen millor a través d'ella. És a dir, no només actua com a protector, també com a lent concentradora de llum. És la raó per la qual la llum emesa sembla ser més brillant a la part superior del LED.

Els LED estan dissenyats per garantir que la major part de la recombinació dels portadors de càrrega tingui lloc a la superfície de la unió PN per qüestions òbvies, i això s'aconsegueix així:

• En augmentar la concentració de dopatge del substrat, els electrons portadors de càrrega minoritaris addicionals es mouen cap a la part superior de l'estructura, es recombinen i emeten llum a la superfície del LED.
• Augmentant la longitud de difusió dels portadors de càrrega, és a dir, L = √ Dτ, on D és el coeficient de difusió i τ és el temps de vida del portador de càrrega. Quan s'augmenta més enllà del valor crític, hi haurà una possibilitat de reabsorció dels fotons alliberats al dispositiu.

Així, quan el díode LED està connectat amb polarització directa, els portadors de càrrega adquireixen suficient quantitat d'energia per superar la barrera de potencial existent a la unió PN. Els portadors de càrrega minoritaris tant al tipus P com al semiconductor tipus N s'injecten a través de la unió i es recombinen amb els portadors majoritaris. La combinació de portadors majoritaris i minoritaris pot ser de dues maneres:

• Radiativa: quan s'emet llum durant la recombinació.
• No radiativa: durant la recombinació no s'emet llum, es produeix calor. És a dir, es perd part de lenergia elèctrica aplicada en forma de calor i no de llum. En funció del percentatge denergia destinada a generar llum o calor, així serà leficiència del LED.

Semiconductors orgànics

Recentment també han irromput al mercat els OLED o díodes emissors de llum orgànics, que s'han utilitzat per a les pantalles. Aquests nous díodes orgànics estan compostos per un material de naturalesa orgànica, és a dir, un semiconductor orgànic, on en part oa tota la molècula orgànica es permet la conducció.

Aquests materials orgànics poden estar a fase cristal·lina o en molècules polimèriques. Això té lavantatge de tenir una estructura molt prima, baix cost, necessiten molt baix voltatge per funcionar, tenen alta brillantor, i el màxim contrast i intensitat.

Colors dels LEDs

A diferència dels díodes semiconductors normals, els LED emeten aquesta llum pels compostos que fan servir, com he comentat anteriorment. Els díodes semiconductors normals es fabriquen a base de silici o germani, però els emissors de llum tenen compostos com ara:

• Arseniur de gal·li
• Fosfur d'arseniur de gal·li
• Carbur de silici
• Nitrur d'indi i gal·li

Barrejant aquests materials es pot produir una longitud d'ona única i diferent per aconseguir el color desitjat. Diferents compostos semiconductors emeten llum a regions definides de l'espectre de llum visible i, per tant, produeixen diferents nivells d'intensitat de llum. L'elecció del material semiconductor utilitzat a la fabricació del LED determinarà la longitud d'ona de les emissions de fotons i el color resultant de la llum emesa.

Patró de radiació

El patró de radiació es defineix com l'angle d'emissió de la llum pel que fa a la superfície emissora. La màxima quantitat de potència, intensitat o energia s'obtindrà en la direcció perpendicular a la superfície emissora. L'angle d'emissió de la llum depèn del color que s'emeti i sol variar entre uns 80° i 110°. Aquí tens una taula amb els diferents colors i materials:

El color de la llum emesa per un LED no està determinat pel color del cos de plàstic que amaga el LED. Això cal deixar-ho molt clar. Com he comentat anteriorment, la resina epoxi s'utilitza tant per millorar l'emissió de llum com per indicar-ne el color quan el LED està apagat.

LED multicolor

Al mercat existeixen una gran varietat de LED disponibles, amb diferents formes, mides, colors, intensitats de llum de sortida, etc. Cal dir, però, que el rei indiscutible pel seu preu és el LED vermell de fosfur d'arseniur de gal·li, amb diàmetre de 5mm. Aquest és el més usat a tot el món, per la qual cosa és el que es fabrica en més quantitat.

No obstant això, com has pogut comprovar, actualment hi ha multitud de colors diferents, i fins i tot s'estan combinant diversos colors per produir un LED multicolor com el que veurem en aquest apartat…

bicolor

Un LED bicolor, com el seu nom indica, és un LED capaç d'emetre en dos colors diferents. Això s'aconsegueix combinant dos LEDs de color diferent en un mateix empaquetat. D'aquesta manera, podeu canviar d'un color a un altre. Per exemple, com aquests LEDs que veus en alguns aparells per indicar lestat de la càrrega de la bateria que es posen de color vermell quan està carregant i verd quan ja ha carregat.

Per poder construir aquests LEDs es connecten de forma paral·lela, amb l'ànode d'un LED connectat al càtode d'un altre LED i viceversa. D'aquesta manera, quan es proporciona subministrament de corrent elèctric a qualsevol dels ànodes, només s'il·luminarà un LED, el que s'estigui rebent energia a través del seu ànode. Si s'alimenten tots dos ànodes alhora, també es poden encendre tots dos alhora amb commutació dinàmica.

tricolor

També tenim els LED tricolor, és a dir, que poden emetre tres colors diferents en comptes de dos. Aquests combinen tres LEDs amb un càtode comú al mateix empaquetat, i per encendre encendre un o dos colors, cal connectar el càtode a terra. I el corrent subministrat per l'ànode del color al qual vols controlar o encendre.

És a dir, per a la il·luminació LED d'un o dos colors, cal connectar la font d'alimentació a qualsevol dels ànodes individualment o alhora. Aquests LED tricolors se solen fer servir també en multitud de dispositius, com els mòbils, per indicar notificacions, etc. A més, aquest tipus de díodes genera tons addicionals dels colors primaris en encendre els dos LED en diferents proporcions de corrent directe.

LED RGB

Bàsicament és un tipus de LED tricolor, en aquest cas conegut com RGB (Red Green Blue), perquè emet aquests tres colors llums. Aquests s'han tornat molt populars a les tires de color per adornar i als equips gaming, com has de saber. Tot i això, encara que té els colors primaris, no són possibles generar tots els colors i tons. Alguns colors queden fora del triangle RGB, i els colors com el rosa, el marró, etc. són difícils d'aconseguir amb un RGB.

Avantatges i desavantatges del LED

Ara toca veure quines són les principals avantatges i desavantatges d'aquests díodes LED:

Avantatges

• grandària
• Baix cost de producció
• Llarga vida útil (no es fonen)*
• Alta eficiència energètica / baix consum
• Baixa temperatura / menys calor irradiada
• Flexibilitat en el disseny
• Poden produir molts colors diferents, i fins i tot llum blanca
• Alta velocitat de commutació
• Alta intensitat lluminosa
• Es poden dissenyar per enfocar la llum en una adreça
• Són dispositius semiconductors d'estat sòlid, per tant són més robustos: més resistent al xoc tèrmic i vibracions
• Sense presència de Rajos UV

Desavantatges

• Dependència de temperatura ambient de la potència de sortida radiant i la longitud d'ona del LED.
• Sensibilitat a danys per excés de tensió i/o excés de corrent.
• L'eficiència general teòrica només s'aconsegueix en condicions especials fredes o premudes.

aplicacions

Finalment, i no menys important, cal mostrar quines són les possibles aplicacions per a les que van destinats aquests LEDs de colors:

• Per llums de vehicles
• Senyalització: indicadors, senyals, semàfors
• Mostrar informació visual a panells
• Per pantalles on els píxels estan compostos per LEDs
• aplicacions mèdiques
• Joguines
• Il · luminació
• Comandaments a distància (LED IR)
• Etc