Estudio de la luz fría y cálida de un LED

in #stem-espanol5 days ago

Luz fría y cálida de un LED

Giovanni Marín
12/05/2022

Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

Los dispositivos optoelectrónicos (DOE) como un diodo emisor de luz (LED) o una celda solar fotovoltaica (PV-sc) tienen en común que están fabricados a partir de una unión de semiconductores con portadores mayoritarios de electrones (tipo n) y otro semiconductor con portadores de carga mayoritarios de huecos (tipo p), pero con la diferencia que los LED requieren del flujo de corriente y voltaje para convertirla en luz, mientras que una PV-sc genera una corriente y un voltaje según la intensidad de la fuente de luz que incide sobre su superficie.

En una experiencia de laboratorio hacíamos incidir una radiación electromagnética con diferentes longitudes de onda sobre diversas placas metálicas, como oro, plata, aluminio o zinc, con la finalidad de estudiar la emisión de electrones desde su superficie y captada en otra placa que servía de receptor (contador o ánodo) de los electrones emitidos. Este fenómeno físico se conoce como Efecto Fotoeléctrico, realizado con la finalidad de conocer la longitud de onda umbral para la cual se iniciaba el proceso de emisión de electrones desde la superficie de estos metales y determinar su función de trabajo.

Diodos Emisores de Luz cálida y fría

A pesar que este fenómeno tenga involucrado el término fotoeléctrico nada tiene que ver con la emisión de luz (fotones) de un LED o aprovechamiento de la radiación luminosa para producir electricidad como lo hace una PV-sc. Es por esta razón que en el siguiente video trato de aclarar la diferencia entre los 2 tipos de DOE cuando interviene la parte lumínica (asociada a "foto") y la componente de corriente-voltaje (asociada a "electricidad").

Dispositivo optoelectrónico LED

En la fabricación de los diodos emisores de luz se emplean diferentes sustratos semiconductores que emiten luz con un color específico, es decir que tienen una longitud de onda asociada a un voltaje umbral para la radiación luminosa. Por ejemplo, el galio (Ga) fue ampliamente usado en la elaboración de LED, por supuesto en unión de otros elementos de la tabla periódica como: el GaAs (arseniuro de galio) de color rojo, pero más hacia el infrarrojo (λ ≈ 900-1000 nm) o GaP (fosfuro de galio) que normalmente emite luz entre verde y amarillo (λ ≈ 500-600 nm).

Para este artículo me referiré a la emisión de luz usando un par de LED de luz blanca que puede obtenerse con la combinación de múltiples led de colores y diferentes intensidades o bien a partir de la fabricación del LED usando semiconductores especiales para tal fin.

Diodos emisores de luz blanca

Cuando repasamos las imágenes que representan el espectro electromagnético en la región de la luz visible, podemos discriminar las diferentes longitudes de onda asociadas a cada color específico y esa asociación monocromática estará asociada a la luz blanca que conocemos. Si vamos del color verde puro (λ ≈ 550 nm) y llegamos a los 570 nm, nos encontraremos con un LED de color verde limón, conocido como "lima amarillo". Posteriormente veremos la emisión de luz blanca con temperatura del color asociada de 6500 K, como el diodo emisor de luz blanca del simulador solar (MCWHL6) y conocida como LUZ FRÍA, puesto que la tonalidad y brillo es más intenso (percibida como azulado).

La intensidad luminosa aumenta al incrementarse la corriente eléctrica en el LED, pero el espectro de intensidad en función de la longitud de onda funciona como una huella digital, que es característica de cada tipo de LED según los materiales semiconductores que se empleen en su fabricación.

Si continuamos el análisis del espectro electromagnético, pasaremos por una temperatura de color de 5000 K correspondiente a una "luz blanca pálida" y seguidamente nos encontraremos con la LUZ CÁLIDA, con una tonalidad y brillo más tenue representativa a la "luz blanca incandescente" (percibida como ámbar) con una temperatura de color que ronda los 3500 K. El LED se distinguirá por una coloración externa amarilla, lo que concuerda si seguimos avanzando hacia longitudes de onda superiores llegando a su vecino LED color de emisión amarillo con λ ≈ 585 nm.

Para la fabricación de los LED de luz blanca suele usarse una configuración híbrida de varias aleaciones: SiC, GaN, GaAs, GaP, etc para obtener el efecto visual de la luz blanca. Lo importante es la estructura de bandas energéticas que posea cada semiconductor y luego el ensamblado tipo "sandwich" de capas y capas de semiconductores tipo p y tipo n.

Para culminar, la densidad de potencia óptica de un LED, medida en W/m2, suele ser interesante cuando tenemos en mente las aplicaciones de investigación científica, pero cuando nos referimos a la iluminación interna del hogar la cosa cambia, nos centramos en la calidez del dormitorio, la paz, tranquilidad, descanso y me inclinaría por usar una luminaria LED de luz cálida y ¡a dormir!

Variación del brillo de un LED con el incremento de la corriente

No solamente la diferencia de colores debajo de la cúpula del LED es una característica distintiva, también existen parámetros físicos que son medibles como la corriente eléctrica suministrada en el LED y su voltaje asociado los que aportan información adicional en cuanto al tipo de material semiconductor que se esté usando en la fabricación de un LED de luz cálida en comparación con un LED de luz fría. En la siguiente gráfica podemos notar que a pesar de tener un voltaje umbral muy similar en ≈ 2,62 V, el consumo de potencia eléctrica (P = VI) se diferencia en la medida que se incrementa el voltaje, siendo el LED de luz fría el de mayor potencia eléctrica.

Aportes de esta publicación.

El campo de la Física Óptica es tan amplio como el Universo mismo, todavía falta explorarlo y no tiene un límite establecido, lo digo porque comencé la calibración del simulador solar para determinar la densidad de potencia óptica de la fuente de iluminación a diferentes distancias de trabajo y ya estoy en el punto de explicación de los materiales semiconductores que se emplean en la fabricación de un LED y su relación con las longitudes de onda en el espectro electromagnético.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

Light Emitting Diode (LED)

Diodo LED
Voltaje de trabajo de un LED
Luz LED Blanca ¿Cálida, Fría o Neutra?
Luz cálida y fría
Photovoltaic_effect

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