Un diodo emisor de luz o led, de sus siglas en inglés light-emitting diode, es un dispositivo constituido por un material semiconductor dotado de dos terminales, capaz de emitir luz cuando se aplica una tensión adecuada entre ellos. Esto se debe a que bajo determinadas circunstancias los electrones pueden recombinarse con los huecos liberando radiación electromagnética en forma de fotones con frecuencias determinadas. El color de la luz generada por un led dependerá evidentemente de la energía de estos fotones emitidos (o más concretamente, de su frecuencia), que a su vez está determinada por la anchura de la banda prohibida del material semiconductor con el que está hecho. Como veremos a continuación, este efecto se denomina electroluminiscencia, un fenómeno electroóptico por el cual un material emite luz como consecuencia del paso de una corriente eléctrica a su través o mediante la aplicación de campos eléctricos. No debe confundirse con otros fenómenos luminiscentes como la fotoluminiscencia, provocada por la absorción previa de radiación electromagnética, la incandescencia, que se da por efecto de la temperatura (como vimos cuando tratamos el wolframio en el apartado 2.8) o la quimioluminiscencia, que es inherente a la química de la sustancia.
Antes de introducir los materiales semiconductores que se usan en los ledes vamos a detenernos en explicar qué es un diodo y cómo puede ser usado para generar luz. Un diodo es un componente electrónico fabricado mediante la unión de dos semiconductores con dopados distintos y que consta de dos terminales, como las resistencias o los condensadores. Su característica fundamental es que solo permite el paso de la corriente eléctrica en un único sentido cuando se le aplica una diferencia de potencial entre sus terminales por encima de un umbral. En este último caso se dice que el diodo está en polarización directa y permite el paso de la corriente eléctrica, mientras que en caso contrario bloquea el paso de la corriente y se dice que opera en polarización inversa.
Un diodo funciona básicamente porque contiene una estructura, llamada unión pn, formada por la unión metalúrgica de dos cristales semiconductores extrínsecos con dopados de distinta naturaleza: n y p, tal como vimos cuando hablamos del silicio y de cómo introducir intencionadamente impurezas (apartado 2.10). Al unir ambos cristales en ausencia de campos eléctricos tiene lugar una difusión de electrones del cristal n al p con el fin de equilibrar las cargas. Al empezar a recombinarse los electrones procedentes del cristal n con los huecos sobrantes en el cristal p se crea una zona a ambos lados de la unión libre de carga que se denomina zona de agotamiento o empobrecimiento de carga. Transcurrido el tiempo necesario se alcanza el estado de equilibrio y esta zona libre de cargas adquiere unas dimensiones fijas cuando se crea una barrera interna de potencial (típicamente de menos de 1 V) que impide el progreso de la difusión de más electrones. Si no se aplica ninguna diferencia de potencial, la corriente no puede atravesar esa barrera de potencial (polarización inversa), mientras que si se aplica una diferencia de potencial por encima de esa barrera interna se revertirá la difusión de electrones, la zona de agotamiento desaparecerá y la corriente podrá pasar a través de la unión[1].
Aparte del diodo semiconductor, el otro elemento importante de un led es el material activo que, como ya hemos adelantado, es un semiconductor electroluminiscente. Aparte de algunos elementos químicos como el silicio o el germanio, existen muchos compuestos metálicos o semimetálicos con propiedades semiconductoras. A grandes rasgos encontramos dos grupos grandes de sustancias con estas características. Por un lado, algunos óxidos, sulfuros, seleniuros o telururos de elementos metálicos como Zn, Cd, Mg, etc., y por otro lado nitruros, fosfuros y antimoniuros de elementos como B, Al, Ga o In. Por ello, a estos dos grupos se les conoce genéricamente como semiconductores II-VI y III-V respectivamente, siguiendo la nomenclatura tradicional de grupos de la tabla periódica. Una selección de ellos se representa en la figura 8.15.
Como ya adelantábamos, la longitud de onda de los fotones emitidos por electroluminiscencia está íntimamente ligada con la magnitud del ancho de banda prohibida del material semiconductor, ya que los fotones emitidos se dan por la recombinación de electrones y huecos y por tanto su energía es la de ese salto a través de la región prohibida. En la parte inferior de la figura 8.15 se muestran los espectros de electroluminiscencia de varios semiconductores empleados en tecnología LED.
Cabe destacar que los semiconductores III-V, como los fosfuros y nitruros de galio y otros elementos, son los más apropiados para usarlos en los ledes por la magnitud de su ancho de banda, que coincide con la del espectro de la luz visible, y por ser semiconductores directos. Este es el otro aspecto importante a tener en cuenta en la selección de materiales para esta aplicación: los semiconductores deben ser directos, así que materiales típicos como el silicio o el germanio quedan descartados. Recordemos que los semiconductores directos son aquellos en los que el máximo de la banda de valencia está en la misma región del espacio recíproco que el mínimo de la banda de conducción. Este hecho es importante, ya que para la recombinación de electrones y huecos y posterior emisión de un fotón en semiconductores indirectos hace falta la intervención de algún agente externo, como la de un fonón proveniente de las vibraciones reticulares del sólido, tal como se esquematiza en la figura 8.15. Es por tanto que, salvo alguna excepción puntual como el fosfuro de galio, los semiconductores indirectos tienen muy poca eficiencia en cuanto a la emisión de luz, ya que predominan otros fenómenos no radiativos.
Una vez explicado el fundamento de un diodo semiconductor y el concepto de electroluminiscencia, podemos intuir mejor cómo funciona un diodo led. Básicamente es una combinación de una unión pn con polarización directa con una región activa de un semiconductor con el ancho de banda apropiado, tal como se esquematiza en la figura 8.16. En general, un diodo led se compone de una estructura tipo sándwich o heteroestructura de una unión pn que se deposita sobre un sustrato semiconductor. En el ejemplo concreto de la figura vemos una heteroestructura de arseniuro de galio del tipo GaAs/AlxGa1–xAs, en la que, al introducir un número variable de impurezas de Al, se consiguen los semiconductores extrínsecos requeridos para constituir la unión pn a la que se incorpora una pequeña zona de semiconductor intrínseco (a veces se la rodea de una capa de aislante) que es capaz de producir luz cuando se hace pasar corriente eléctrica a su través. La cuestión aquí es elegir de forma muy cuidadosa el material de la fase activa.
En los últimos años se ha impuesto la tecnología LED como la preferente en iluminación debido a su alta eficiencia. Esto se debe en gran medida al desarrollo de la tecnología de semiconductores y la cuidadosa selección de materiales. En gran parte, el auge del led se debe al trabajo del investigador japonés S. Nakamura desarrollado en la compañía Nichia Chemical Industries hasta 1995. Se le conoce especialmente por ser uno de los principales descubridores del led azul-violeta, que fue el color que presentó más inconvenientes técnicos a la hora de su implementación. Como hemos visto en la selección de materiales de la figura 8.16, no hay compuestos adecuados para ese rango de emisión. Pese a que se materializaron algunos intentos basados en semiconductores indirectos, la eficiencia del led azul era muy pobre hasta que Nakamura empleó una aleación de GaN e InN cuyos anchos de banda prohibida quedaban en el ultravioleta y en el verde respectivamente. Dado que tienen la misma estructura cristalina y ambos son semiconductores directos, la combinación resultó ser todo un éxito ya que, variando las proporciones, se podían conseguir todos los anchos de banda deseados entre el verde y el violeta con buenas eficiencias[2]. Este descubrimiento le valió a Nakamura, junto a otros dos compatriotas, el Premio Nobel de Física en 2014. Hay que tener en cuenta que el hallazgo fue muy importante porque se lograba completar el espectro completo de la luz visible, ya que los fosfuros funcionaban bien emitiendo en rojo. Por tanto, se abría la puerta a generar luz LED blanca de muy bajo consumo y poder sustituir a la luminaria incandescente, halógena y fluorescente, de lo cual hemos sido testigos durante los últimos años. Las heteroestructuras que constituyen al diodo led pueden clasificarse dentro de la categoría de materiales compuestos por estar formadas por capas de varios semiconductores, metales y dióxido de silicio. Además, el led en sí cuenta con otras partes de plástico. Por ello, aunque se trate de un ejemplo dudoso de material compuesto, es muy ilustrativo de cómo la ciencia de materiales es capaz de combinar materiales muy distintos mediante complejos métodos de procesado para producir dispositivos de alto interés tecnológico. En los dos apartados siguientes veremos más ejemplos de este tipo.
[1] Aquí solo damos una descripción muy somera de la unión pn y los diodos. Para un estudio en más profundidad pueden consultarse monografías específicas, como el capítulo 2 de S. M. Sze y K. K. Ng. Physics of Semiconductor Devices. 3ª ed. John Wiley & Sons (2007).
[2] Una selección de artículos representativos de los hallazgos de Nakamura sería: S. Nakamura et al. Appl. Phys. Lett. 62 (1993) 2390. https://doi.org/10.1063/1.109374; S. Nakamura et al. Appl. Phys. Lett. 64 (1994) 1687 (1994). https://doi.org/10.1063/1.111832; S. Nakamura et al. Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) L74. https://doi.org/10.1143/JJAP.35.L74; o directamente su monografía sobre el tema, más detallada: S. Nakamura y G. Fasol. The Blue Laser Diode: GaN Based Light Emitters and Lasers. Springer (1997).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
