LED de colores: ¿cómo se consiguen los diferentes colores?

Los LED de colores nos han venido acompañando en los últimos años. Cada vez apareciendo nuevas tonalidades de LEDs, ya que no ha sido fácil en todos los casos. Por ejemplo, como curiosidad, deberías saber que los LEDs de luz blanca y los de luz azul han sido de los últimos en llegar al mercado.

Actualmente, se han transformado en un tipo de diodo esencial para muchos campos. Por eso, en este artículo aprenderás todo lo que necesitas saber sobre estos componentes electrónicos básicos, y sobre por qué emiten luz, por qué de esos colores, y mucho más…

Fuentes de emisión de luz semiconductoras

Como deberías saber, las dos fuentes de emisión de luz que pueden provenir de dispositivos semiconductores son los diodos Láser y los diodos LED. Mientras que LED se basa en la emisión espontánea, los Láser se basan en la emisión estimulada. Esa es la diferencia entre ambos.

Los diodos emisores de luz (Light Emitting Diode) son la fuente de luz más común entre los equipos electrónicos. Se usan para poder mostrar la hora en relojes digitales, para señalizar el funcionamiento o la carga de la batería, etc. Las aplicaciones son muchas, y ahora también han saltado a la iluminación con las nuevas bombillas LED para iluminar todo tipo de salas e incluso para los vehículos.

Estos dispositivos LED pertenecen al grupo de los opto-semiconductores, capaces de convertir una corriente eléctrica en una luz. Este dispositivo de iluminación tiene la gran ventaja de ser duradero, ya que no se funde como las bombillas, y también es mucho más eficiente, por lo que el consumo es muy inferior a las bombillas convencionales. Además, su coste de fabricación es muy bajo, por todo eso se han hecho tan populares.

Como cualquier otro dispositivo semiconductor, el LED cuenta con los elementos principales básicos, como son las zonas P con huecos (+) y las zonas N con electrones (-), es decir, los portadores de carga habituales de cualquier semiconductor. Y esto hace que:

• Cuando el lado P está conectado a una fuente de alimentación y el lado N a tierra, la conexión está polarizada de forma directa, permitiendo que la corriente fluya a través del diodo y emitan la luz que todos podemos ver.
• Si el lado P se conecta a tierra y el lado N a la fuente de alimentación, de dice que la conexión está polarizada de forma inversa, lo que impide el paso de la corriente. Ya sabes que los diodos impiden el paso de corriente en un sentido.
• Cuando está polarizado de forma directa, los portadores de carga mayoritarios y minoritarios del lado P y del lado N se combinan entre sí, y neutralizan a los portadores de carga en la capa de agotamiento de la unión PN. Y, a su vez, esta migración de electrones y huecos libera cierta cantidad de fotones, es decir, parte de la energía se emite en forma de luz, con una longitud de onda constante (monocromática). Esto es lo que caracterizará al color del LED, ya que dependiendo de la longitud de onda que emita podrá ser un IR, azul, amarillo, verde, amarillo, ámbar, blanco, rojo, UV, etc.
• La longitud de onda emitida del espectro electromagnético, y por tanto el color, está determinado por los materiales semiconductores que forman la unión PN del diodo. Por tanto, se puede variar o jugar con los compuestos semiconductores para crear nuevos colores dentro del espectro o rango visible.

Hay que decir que los colores rojo, azul y verde (RGB o Red Green Blue) se pueden combinar fácilmente para poder producir luz blanca. Por otro lado, hay que decir que el voltaje de trabajo de los LED también varía en función del color. Por ejemplo, los colores rojo, verde, ámbar y amarillo necesitan al rededor de 1.8 voltios para funcionar. Y es que el rango de voltaje de trabajo del diodo emisor de luz se puede determinar según el voltaje de ruptura del material semiconductor usado para la fabricación del LED.

Tipos de LED

Se pueden catalogar los LED de varias maneras, una de las principales es hacerlo según la longitud de onda que emiten, dejando dos categorías:

•  LED visibles: son los que emiten longitudes de onda dentro del espectro visible, es decir, entre los 400nm y los 750nm. Este rango es el que puede ver el ojo humano, al igual que en el cambo del sonido solo podemos escuchar entre los 20 Hz y los 20 Khz. Por debajo de los 20 Hz son infrasonidos que no podemos escuchar, y por encima de los 20 Khz son ultrasonidos que tampoco podemos captar. En el caso de la luz pasa algo parecido, teniendo los infrarrojos o IR cuando se baja por debajo de los 400 nm y la luz ultravioleta cuando se sube de los 750 nm. Ambos invisibles para el ojo humano.
•  LED invisibles: son aquellas longitudes de onda que no podemos ver, como es el caso de un diodo IR o un diodo UV.

Los LED visibles se utilizan principalmente para para la iluminación o señalización. Los LED invisibles se utilizan en aplicaciones que incluyen interruptores ópticos, análisis y comunicaciones ópticas, etc., con el uso de fotosensores.

Eficiencia

Como bien sabes, el alumbrado LED es mucho más eficiente que el convencional, por lo que consume mucha menos energía. Esto es debido a la naturaleza de los LEDs. Y en la siguiente tabla puedes ver la relación enre el flujo luminioso y la potencia de entrada eléctrica suministrada al LED. Es decir, se puede expresar en lúmenes por vatio (lm/W):

Construcción LED

Fuente: ResearchGate

La estructura y la construcción de los diodos emisores de luz son muy diferentes de las de un diodo normal, como puede ser un zener, etc. La luz se emitirá desde el LED cuando su unión PN esté polarizada de forma directa. La unión PN está cubierta por una cúpula hemisférica de resina epoxi sólida y plástica transparente que protege el interior del LED de las perturbaciones atmosféricas, las vibraciones y los choques térmicos.

La unión PN se forma utilizando los materiales de banda prohibida más bajos, como arseniuro de galio, fosfuro de arseniuro de galio, fosfuro de galio, nitruro de indio y galio, nitruro de galio y aluminio, carburo de silicio, etc. Por ejemplo, los LED de color rojo se construyen con sustrato de arseniuro de galio, los de color verde, amarillo y naranja sobre fosfuro de galio, etc. En los rojos, la capa tipo N se dopa con telurio (Te) y la capa P se dopa con zinc (Zn). Por otro lado, las capas de contacto se forman usando aluminio en el lado P y estaño-aluminio en el lado N.

Además, debes saber que estas uniones no emiten mucha cantidad de luz, por lo que la cúpula de resina epoxi está construida de tal manera que los fotones de luz emitidos por la unión PN se reflejan y se enfocan mejor a través de ella. Es decir, no solo actúa como protector, también como lente concentradora de luz. Es la razón por la que la luz emitida parece ser más brillante en la parte superior del LED.

Los LED están diseñados para garantizar que la mayor parte de la recombinación de los portadores de carga tenga lugar en la superficie de la unión PN por cuestiones obvias, y eso se consigue de esta forma:

• Al aumentar la concentración de dopaje del sustrato, los electrones portadores de carga minoritarios adicionales se mueven hacia la parte superior de la estructura, se recombinan y emiten luz en la superficie del LED.
• Aumentando la longitud de difusión de los portadores de carga, es decir, L = √ Dτ, donde D es el coeficiente de difusión y τ es el tiempo de vida del portador de carga. Cuando se aumenta más allá del valor crítico, habrá una posibilidad de reabsorción de los fotones liberados en el dispositivo.

Así, cuando el diodo LED está conectado con polarización directa, los portadores de carga adquieren suficiente cantidad de energía para superar la barrera de potencial existente en la unión PN. Los portadores de carga minoritarios tanto en el tipo P como en el semiconductor tipo N se inyectan a través de la unión y se recombinan con los portadores mayoritarios. La combinación de portadores mayoritarios y minoritarios puede ser de dos formas:

• Radiativa: cuando se emite luz durante la recombinación.
• No radiativa: durante la recombinación no se emite luz, se produce calor. Es decir, se pierde parte de la energía eléctrica aplicada en forma de calor y no de luz. En función del porcentaje de energía destinada a generar luz o calor, así será la eficiencia del LED.

Semiconductores orgánicos

Recientemente también han irrumpido en el mercado los OLED o diodos emisores de luz orgánicos, que se han utilizado para las pantallas. Estos nuevos diodos orgánicos están compuestos por un material de naturaleza orgánica, es decir, un semiconductor orgánico, donde en parte o en toda la molécula orgánica se permite la conducción.

Estos materiales orgánicos pueden estar en fase cristalina o en moléculas poliméricas. Esto tiene la ventaja de tener una estructura muy delgada, bajo coste, necesitan muy bajo voltaje para funcionar, tienen alto brillo, y el máximo contraste e intensidad.

Colores de los LEDs

A diferencia de los diodos semiconductores normales, los LED emiten esa luz por los compuestos que emplean, como he comentado anteriormente. Los diodos semiconductores normales se fabrican a base de silicio o germanio, pero los emisores de luz tienen compuestos tales como:

• Arseniuro de galio
• Fosfuro de arseniuro de galio
• Carburo de silicio
• Nitruro de indio y galio

Mezclando estos materiales se puede producir una longitud de onda única y diferente, para así conseguir el color deseado. Diferentes compuestos semiconductores emiten luz en regiones definidas del espectro de luz visible y, por lo tanto, producen diferentes niveles de intensidad de luz. La elección del material semiconductor utilizado en la fabricación del LED determinará la longitud de onda de las emisiones de fotones y el color resultante de la luz emitida.

Patrón de radiación

El patrón de radiación se define como el ángulo de emisión de la luz con respecto a la superficie emisora. La máxima cantidad de potencia, intensidad o energía se obtendrá en la dirección perpendicular a la superficie emisora. El ángulo de emisión de la luz depende del color que se emita y suele variar entre unos 80° y 110°. Aquí tienes una tabla con los diferentes colores y materiales:

El color de la luz emitida por un LED no está determinado por el color del cuerpo de plástico que encierra el LED. Esto hay que dejarlo muy claro. Como he comentado anteriormente, la resina epoxi se utiliza tanto para mejorar la emisión de luz como para indicar el color cuando el LED está apagado.

LED multicolor

En el mercado existen una gran variedad de LED disponibles, con diferentes formas, tamaños, colores, intensidades de luz de salida, etc. Sin embargo, hay que decir que el rey indiscutible por su precio es el LED rojo de fosfuro de arseniuro de galio, con diámetro de 5mm. Ese es el más usado en todo el mundo, por lo que es el que se fabrica en mayor cantidad.

Sin embargo, como has podido comprobar, actualmente existen multitud de colores diferentes, e incluso se están combinando varios colores para producir un LED multicolor como el que vamos a ver en este apartado…

Bicolor

Un LED bicolor, como su propio nombre indica, es un LED capaz de emitir en dos colores diferentes. Esto se consigue combinando dos LEDs de distinto color en un mismo empaquetado. De esta forma, se puede cambiar de un color a otro. Por ejemplo, como esos LEDs que ves en algunos aparatos para indicar el estado de la carga de la batería que se ponen de color rojo cuando está cargando y verde cuando ya ha cargado.

Para poder construir estos LEDs se conectan de forma paralela, con el ánodo de un LED conectado al cátodo de otro LED y viceversa. De esta forma, cuando se proporciona suministro de corriente eléctrica a cualquiera de los ánodos, se iluminará solo un LED, el que se esté recibiendo energía a través de su ánodo. Si se alimentan ambos ánodos a la vez, también se puede encender ambos al mismo tiempo con conmutación dinámica.

Tricolor

También tenemos los LED tricolor, es decir, que pueden emitir tres colores diferentes en vez de dos. Estos combinan tres LEDs con un cátodo común en el mismo empaquetado, y para encender encender uno o dos colores, es necesario conectar el cátodo a tierra. Y la corriente suministrada por el ánodo del color al que quieres controlar o encender.

Es decir, para la iluminación LED de uno o dos colores, es necesario conectar la fuente de alimentación a cualquiera de los ánodos individualmente o al mismo tiempo. Estos LED tricolores se suelen usar también en multitud de dispositivos, como los móviles, para indicar notificaciones, etc. Además, este tipo de diodos genera tonos adicionales de los colores primarios al encender los dos LED en diferentes proporciones de corriente directa.

LED RGB

Básicamente es un tipo de LED tricolor, en este caso conocido como RGB (Red Green Blue), porque emite esos tres colores luces. Estos se han vuelto muy populares en las tiras de color para adornar y en los equipos gaming, como debes saber. No obstante, aunque tiene los colores primarios, no son posibles generar todos los colores y tonos.  Algunos colores quedan fuera del triángulo RGB, y los colores como el rosa, el marrón, etc., son difíciles de conseguir con un RGB.

Ventajas y desventajas del LED

Ahora toca ver cuáles son las principales ventajas y desventajas de estos diodos LED:

Ventajas

• Tamaño pequeño
• Bajo coste de producción
• Larga vida útil (no se funden)*
• Alta eficiencia energética / bajo consumo
• Baja temperatura / menos calor irradiado
• Flexibilidad en el diseño
• Pueden producir muchos colores diferentes, e incluso luz blanca
• Alta velocidad de conmutación
• Alta intensidad luminosa
• Se pueden diseñar para enfocar la luz en una dirección
• Son dispositivos semiconductores de estado sólido, por lo que son más robustos: más resistente al choque térmico y vibraciones
• Sin presencia de Rayos UV

Desventajas

• Dependencia de la temperatura ambiente de la potencia de salida radiante y la longitud de onda del LED.
• Sensibilidad a daños por exceso de tensión y/o exceso de corriente.
• La eficiencia general teórica se logra solo en condiciones especiales frías o pulsadas.

Aplicaciones

Por último, y no menos importante, hay que mostrar cuáles son las posibles aplicaciones para las que van destinados estos LEDs de colores:

• Para luces de vehículos
• Señalización: indicadores, señales, semáforos
• Mostrar información visual en paneles
• Para pantallas donde los píxeles están compuestos por LEDs
• Aplicaciones médicas
• Juguetes
• Iluminación
• Mandos a distancia (LED IR)
• Etc