Los LEDs son básicamente pequeños diodos que producen luz cuando una corriente eléctrica pasa a través del material semiconductor del que están hechos, a diferencia de una bombilla eléctrica convencional, estos no tienen una resistencia que pueda romperse o quemarse, lo cual los hace muy durables y confiables.
Diodo emisor de luz (LED)
calculadora antigua
Un diodo es el dispositivo semiconductor más simple que hay, básicamente un material semiconductor está hecho de un material de conducción pobre al que le han agregado “impurezas”, este proceso se conoce como “dopaje”, estas impurezas no son más que átomos de otro elemento el cual modifica las propiedades de conducción del material.

En el caso de los LEDs, el material es típicamente Arseniuro de galio-aluminio.

En el Arseniuro de galio-aluminio puro, todos los átomos se enlazan perfectamente entre si, lo cual no deja electrones libres para producir una corriente eléctrica, cuando se dopa el material, se modifica el balance agregando electrones libres (cargas negativas) o “agujeros” (cargas positivas), dependiendo del material que se agregue lo cual modifica sus propiedades de conductividad y define el tipo de semiconductor que se crea.
electronica
reloj digital antiguo

Semiconductores
Existen dos tipos de semiconductores, estos pueden ser de tipo-p o de tipo-n.

En los semiconductores tipo-p existe un exceso de cargas positivas o “agujeros” mientras que en los de tipo-n hay un mayor número de cargas negativas o electrones.

Un diodo esta compuesto por una sección de semiconductor tipo-n unida a una sección de semiconductor tipo-p, con electrodos a cada lado, esta composición se conoce con el nombre de “unión p-n” y permite fácilmente el flujo de electrones del lado tipo-p o ánodo hacia el lado tipo-n o cátodo pero no en la otra dirección.
rayos
uniónp-n

Cuando no se aplica voltaje al diodo, los electrones libres del semiconductor tipo-n se “insertan” en los agujeros del semiconductor tipo-p, lo cual forma una zona llamada “zona de agotamiento” por la cual no puede fluir la corriente eléctrica, esta región recibe su nombre derivado del hecho que en ella, básicamente se han agotado todos transportadores de carga, es decir, electrones libres(-) o agujeros(+).

Para hacer que la corriente fluya nuevamente es necesario conectar el lado tipo-n del diodo a la terminal negativa de un circuito eléctrico y el lado tipo-p a la terminal positiva, los electrones que vienen de la terminal negativa repelen a los electrones que se encuentran en los agujeros de la zona de agotamiento lo cual los pone en movimiento hacia el lado tipo-p y a la vez pone a los agujeros en movimiento hacia el lado tipo-n reestableciendo el flujo de carga.

Si se conecta el diodo de forma inversa, es decir, conectamos el electrodo del lado tipo-n a la terminal positiva del circuito, los electrones (cargados negativamente) son atraídos hacia la terminal positiva del circuito y los agujeros (cargados positivamente) son atraídos hacia la terminal negativa del circuito, haciendo la zona de agotamiento aun mayor, impidiendo el flujo de carga.

Cada vez que un electrón llena un agujero, cambia su nivel de energía, a nivel atómico lo que ocurre en un LED es lo siguiente:

1. En el material semiconductor tipo-p existen “agujeros” con carga positiva.
2. Cuando un electrón “cae” en uno de estos agujeros, se mueve de la banda de conducción a la banda de valencia
3. Cuando el electrón pasa a la banda de valencia, disminuye su nivel de energía
4. La energía que se libera lo hace en la forma de un fotón dependiendo de la “cantidad” de energía que se libere.

Muchos diodos emiten radiaciones de este tipo que son invisibles al ojo humano, por ejemplo, los diodos infrarrojos que se encuentran en los aparatos de control remoto de los televisores están hechos de silicio en donde el “salto” que dan los electrones al caer en los agujeros es relativamente pequeño.

Los diodos que emiten luz visible lo hacen gracias a que su material semiconductor está hecho de aleaciones especiales que incluyen elementos como Aluminio, Galio, Indio y algunos otros, en estos, el salto de los electrones es mayor, liberando mas energía.
Luz
Acercamiento de un LED

A pesar que todos los diodos emiten radiación, los LEDs están especialmente diseñados para liberar grandes cantidades de fotones, para esto son encapsulados en una cubierta plástica con la sección superior en forma esférica, esto permite que la mayor parte de fotones reboten en las paredes del plástico y salgan por la parte superior.

En un comienzo los LEDs brillaban con luz principalmente roja o naranja, hoy en día es posible conseguir comercialmente LEDs que producen un color específico de luz, incluyendo luz azul, blanca y ultravioleta.

La mayoría de LEDs que producen luz blanca hoy en día están hechos de un material semiconductor a base de Indio, Galio y Nitrógeno y emiten luz azul de entre 450 y 470 nanómetros de longitud de onda. Estos LEDs están cubiertos con un fósforo amarillento hecho de Itrio aluminio granate dopado con Cerio.

Parte de la luz azul emitida por el diodo es convertida por la cubierta en luz amarilla de alrededor de 580 nanómetros de longitud de onda, debido a que la luz amarilla estimula los receptores rojos y verdes del ojo, la mezcla resultante da la impresión de luz blanca, el tono resultante es comúnmente llamado “Blanco Lunar”.

Este proceso fue desarrollado por la corporación Nichia y es utilizado por ellos desde 1996 para fabricar LEDs de luz blanca.

Philips Lumileds Lighting Company es el nombre de la división de Philips que fabrica los LEDs Luxeon, estos son LEDs de alta intensidad, capaces de disipar 1 watt o más de energía.
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Lumiled

Los LEDs Luxeon producen una luz muy potente y son muy populares entre los fabricantes de lámparas de mano como las Fenix Flashlights, están disponibles en varios colores incluyendo blancos.

Entre sus competidores están la compañía Cree, que también producen LEDs de alta intensidad, al igual que la Corporación Nichia.

Historia del LED

A principios del siglo XX Henry Round fue el primero en notar que una unión de semiconductores podía producir luz.

El ruso Oleg Vladimirovich Losev independientemente creo el primer LED a mediados de los años 20, su investigación a pesar de ser distribuida en Europa fue mayormente ignorada.

Investigadores en los laboratorios de Texas Instruments encontraron en 1961 que una aleación de Arseniuro de galio producía radiación infrarroja, por lo cual les fue entregada una patente para el LED de luz infrarroja.

En General Electric, Nick Holonyak Jr. desarrolló el primer LED práctico de luz visible en 1962, el cual es considerado como el padre de los LEDs. Holonyack predijo en 1963, en la edición de febrero de Reader’s Digest que sus LEDs gradualmente reemplazarían la bombilla incandescente de Edison, actualmente esta tecnología desempeña un papel cada vez más grande en nuestro mundo moderno.

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Varios tipos de LEDs

Ventajas de utilizar LEDs

1. Producen más lúmenes por watt que las bombillas incandescentes, esto es especialmente útil en dispositivos operados a baterías.
2. Los LEDs puede producir luz de un color específico, sin la necesidad de utilizar filtros adicionales lo que ahorra peso y los hace mas eficientes.
3. Cuando se utilizan en aplicaciones donde se requiere disminuir su potencia, los LEDs no cambien el todo de su color, a diferencia de las luces incandescentes que se tornan amarillas.
4. Los LEDs no se ven afectados por ciclos rápidos de encendido y apagado, a diferencia de las luces fluorescentes o de HID (High Intensity Discharge) que requieren un largo tiempo relativamente, para volver a encenderse.
5. Siendo dispositivos de estado sólido, son muy resistentes a impactos.
6. Tienen extremadamente larga vida útil, algunos fabricantes estiman su duración entre 100,000 y 1,000,000 de horas, las lámparas incandescentes tienen alrededor de 1000 o 2000 horas de vida útil.
7. Se iluminan rápidamente, un LED típico puede alcanzar su máxima brillantes en algunos microsegundos, los LEDs utilizados en equipos de comunicación puede incluso ser más rápidos.
8. Pueden ser muy pequeños lo cual facilita su uso en componentes electrónicos.
9. A diferencia de las lámparas fluorescentes, los LEDs no contienen mercurio

Desventajas de los LEDs

1. Su desempeño esta estrechamente ligado a la temperatura corriendo el riesgo de sobrecalentarse y arruinarse.
2. Su costo inicial es mayor que el de otros medios de iluminación como luz fluorescente o incandescente.
3. Necesitan ser operados con la corriente correcta lo cual implica el uso de resistencias o fuentes de voltaje reguladas.
4. Existe una creciente preocupación que los LEDs azules y blancos hoy en día son capaces de superar los limites de seguridad de los llamados “peligros de la luz azul” según los estándares ANSI/IESNA RP-27.1-05 para lámparas.