Instituto Politécnico NacionalEscuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Unidad Zacatenco

Departamento de Ingeniería en Control y Automatización

Electrónica I

Titulo: Diodo Emisor de Luz y Fotodiodo

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Integrantes: Figueroa Hernández Fernando

Licona Salinas Mariela

Sosa Elías Omar

Torres Martínez Ricardo Franco

Abril-2014

Profesor: Rodríguez Galván Jorge

Fotodiodo

¿Qué es?

Es un dispositivo optoelectrónico, conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina).

Símbolo de un fotodiodo, las flechas representan la luz incidente la corriente es llamada de fuga.

La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente como se muestra en la figura de abajo.

Funcionamiento

Como ya sabemos en el diodo la corriente de saturación inversa es limitada, y muchos casos muy pequeña, esto se debe solo a los portadores minoritarios térmicamente generados, en los materiales tipo n y p. La aplicación de luz a la unión hace que se transfiera energía de las ondas luminosas viajeras indecentes (en forma de fotones) a la estructura atómica, y el resultado es una gran cantidad de portadores minoritarios y un nivel incrementado de corriente inversa.

2Circuito conectado a un fotodiodo en polarización

inversa Sección PN del fotodiodo

En otras palabras un fotodiodo debe estar energizado inversamente para funcionar correctamente, en este caso el diodo genera una corriente pequeña, pero cuando la región PN del fotodiodo es expuesta a la luz o a una radiación infrarroja esta energía constituirá electrones libres los cuales incrementaran la corriente inversa del diodo.

Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo.

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Corriente pequeña fluyendo por el fotodiodo, con la luz a punto de llegar a la región.

Aumento de la corriente al momento que incide la luz

Funcionamiento de un Diodo de silicio

La imagen anterior muestra, la estructura básica y el funcionamiento de un diodo de unión PN de silicio. Cuando son absorbidos por el dispositivo fotones cuya energía es mayor que la del intervalo de energía, se generan pares electrón-hueco. Una de las ventajas principales del dopado es introducir impurezas que originan electrones o huecos muy próximos a la banda de conducción; por tanto se requiere menor energía para excitar estos estados añadidos hasta la banda de conducción.

Un fotodiodo presenta una construcción análoga a la de un diodo LED, en el sentido que necesita una ventana transparente a la luz por la que se introduzcan los rayos luminosos para incidir en la unión PN.

Circuito equivalente

La se muestra el circuito equivalente de un fotodiodo. Se observará la fuente de señal y las fuentes de ruido no deseadas y de corriente de saturación inversa, que se denomina corriente oscura (ID). Los valores de ID e In determinan el límite inferior de sensibilidad del dispositivo. Esto quiere decir que cuanto menor sea la corriente de oscuridad, mayor será la sensibilidad del detector, pues permitirá medir intensidades de corriente, y por tanto de luz, que destaquen menos sobre el ruido de fondo.

Curva característica

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Construcción Arreglo

Circuito equivalente

En la curva característica se muestran los diferentes niveles de intensidad.

La corriente oscura es la que se determina sin iluminación aplicada, es decir que cuando no incida corriente en el fotodiodo no tendremos un aumento significativo en la corriente, lógicamente ya que no hay una presencia de luz, se le denomina corriente oscura, la separación casi igual entre las curas con el mismo incremento del flujo luminoso revela que la corriente en inversa y el flujo luminoso están casi linealmente relacionados En otras palabras un aumento en la intensidad luminosa producirá un incremento similar de la corriente en inversa, en la siguiente grafica se muestran la relación entre el la luz y la corriente.

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Curva característica

Relación entre corriente y luz

Características

Es importante destacar algunas características de la corriente inversa del fotodiodo:

Según sea la superficie del fotodiodo esta aumenta Aumenta con la corriente oscura al aumentar la corriente inversa Se duplica cada 10 grados centígrados en la zona inversa Aumentando la polarización inversa también disminuye el tiempo de tránsito

que tardan los electrones y los huecos en alcanzar los extremos.

Además debemos de resaltar la sensibilidad de del fotodiodo, esta se define como el incremento de intensidad al polarizar en inversa por unidad de intensidad de luz, mas adelante se explicara la influencia de la longitud de onda y como es que esta afecta a él fotodiodo y al material con el que se emplea.

Respuestas espectrales típicas

Las fuentes luminosas constituyen una fuente de energía, transmitida como paquetes individuales llamados fotones, tiene un nivel directamente relacionado con la frecuencia de la onda luminosa viajera, que es determinado por la siguiente ecuación:

W=kf joules

Donde:

K es la constante de planck y es igual a 6.624 x 10−34 joules por segundo.

¿ vf

Donde:

=longitud de onda en metros V=velocidad de la luz, 3 x10−8

f=frecuencia de la onda viajera, hertz

La longitud de onda normalmente se mide en angtroms (Á) o micrómetros (m), donde:

1 Á=10−10m y 1m=10−6m

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La longitud de onda es importante porque determina el material que se tiene que utilizar en el dispositivo optoelectrónico. Las respuestas espectrales relativas del germanio, silicio y selenio

El número de electrones libres generados en cada material es proporcional a la intensidad de la luz incidente.

1 lm=1.496 x10−10W

Tipos

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Funcionamiento de un diodo PIN

Un par electrón hueco generado fuera de la zona de carga de espacio tiene pocas posibilidades de ser útil, ahora la zona de carga de espacio ha aumentado ya que al tamaño de esta zona en un diodo pn hay que añadir la zona i.

Funcionamiento de un fotodiodo avalancha.

Tienen una estructura similar, pero trabajan con voltajes inversos mayores. Esto permite a los portadores de carga fotogenerados ser multiplicados en la zona de avalancha del diodo, resultando en una ganancia interna, que incrementa la respuesta del dispositivo.

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Composición:

El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1µm); germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aprox. 1,8 µm); o de cualquier otro material semiconductor.

Material Longitud de ondaSilicio 190-1100

Germanio 800-1900Indio galio arsénico(InGaAs) 800-2600

Sulfuro de plomo <1000-3900

Aplicaciones

Detectores (proximidad, alarmas) Se usa en los lectores de CD. Usados en fibra óptica

En la siguiente figura el fotodiodo se emplea en un sistema de alarma. La corriente inversa I continuara fluyendo mientras el rayo luminoso no se interrumpa. Si el rayo se interrumpe, I se reduce a la corriente oscura y activa la alarma.

LED

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El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros. 

Materiales para los LED’s  

 El material de un LED está compuesto principalmente por una combinación semiconductora.  A continuación se presenta una tabla con los posibles compuestos, el color que emiten y la longitud de onda que generan.

Compuesto Color Longitud de onda

Arseniuro de Galio y Aluminio (AlGaAs)

Rojo e infrarrojo 890 nm

Arseniuro fosfuro de Galio (GaAsP)

Rojo, anaranjado y amarillo

630 nm

Fosfuro de Galio (GaP) Verde 555 nm

Nitruro de Galio (GaN) verde 525 nm

Nitruro de Galio e Indio (InGaN)

Azul 450 nm

Carburo de Silicio (SiC) Azul 480 nm

Longitud de onda

Conocer las longitudes de onda LED permite a los diseñadores de circuitos determinar qué color de luz emitirá. La longitud de onda de una LED depende del material semiconductor y no del color del envase o del contenedor plástico. Algunas LED son capaces de operar en varias longitudes de onda lo que significa que estos tipos de LED pueden emitir dos o tres colores (LED Camaleón)

Partes de un LED

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El cátodo está encargado de sujetar al sustrato del semiconductor, por lo tanto será esta terminal la encargada de disipar el calor generado hacia el exterior ya que la terminal del ánodo se conecta al chip por un delgado hilo de oro, el cual prácticamente no conduce calor.

La terminal que sostiene el sustrato cumple otra misión muy importante, la de reflector, ya que posee una forma parabólica o su aproximación semicircular, este es un punto muy crítico en la fabricación y concepción del LED ya que un mal enfoque puede ocasionar una pérdida considerable de energía o una proyección despareja.

Dentro de las características ópticas del LED aparte de su luminosidad esta la del ángulo de visión,  está determinado por el radio de curvatura del reflector del LED y principalmente por el radio de curvatura del encapsulado.

Por último tenemos el encapsulado epoxi que es el encargado de proteger al semiconductor de las inclemencias ambientales y ayuda a formar el haz de emisión.

Existen básicamente 4 tipos de encapsulado si lo catalogamos por su color.

Funcionamiento

La estructura del chip de los diodos LED, al contrario de lo que ocurre con los diodos comunes, no emplea cristales de silicio (Si) como elemento semiconductor, sino una combinación de otros tipos de materiales, igualmente semiconductores, pero que poseen la propiedad de emitir fotones de luz de diferentes colores cuando lo recorre una corriente eléctrica.

Para crear un diodo LED se unen también dos regiones “N” y “P”, como si de un diodo común se tratara. En el punto de unión o juntura de esas dos regiones se forma, igualmente, una barrera de potencial, cuya función es impedir el paso de los electrones desde la región negativa “N” hacia la positiva “P” cuando no se

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encuentran debidamente polarizados y los electrones no poseen la suficiente energía para poder atravesarla.

Cuando aplicamos a los extremos del LED una tensión o voltaje que permita polarizarlo directamente, los electrones provenientes de la fuente de suministro de corriente directa (C.D.) comienzan a fluir a través del diodo. Bajo esas condiciones, cada vez que un electrón en exceso con carga negativa (–) presente en la región “N” adquiere la suficiente energía como para poder vencer la resistencia que le ofrece la barrera de potencial, la atraviesa y se combina con un hueco positivo en exceso en la región “P”. En el mismo instante que ocurre esa combinación, la energía que adquirió dicho electrón para poder atravesar la barrera de potencial, se lleva acabo el efecto de electroluminiscencia que libera, en ese preciso momento un fotón de luz.

Efecto de electroluminiscencia: es un fenómeno óptico y eléctrico en el cual un material emite luz en respuesta a una corriente eléctrica que fluye a través de él.

TIPOS

Transparente o clear water (agua transparente): Es el utilizado en LED’s de alta potencia de emisión, ya que el propósito de estos LED’s es fundamentalmente iluminar, es importante que estos encapsulados no absorban de ninguna manera la luz emitida.

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Coloreados o tinted: Similar al anterior pero coloreado con el color de emisión de sustrato similar al vidrio de algunas botellas, se usa principalmente en LED’s de mediana potencia y/o donde sea necesario identificar el color del LED’s aun apagado.

Difuso o difused: Estos LED’s tiene un aspecto más opacos que el anterior y están coloreados con el color de emisión, poseen pequeñas partículas en suspensión de tamaño microscópicos que son las encargadas de desviar la luz, este tipo de encapsulado le quita mucho brillo al LED pero le agrega mucho ángulo de visión ya que los múltiples rebotes de la luz dentro del encapsulo le otorgan un brillo muy parejo sobre casi todos los ángulos prácticos de visión.

Lechosos o Milky: Este tipo de encapsulado es un tipo difuso pero sin colorear, estos encapsulado son muy utilizados en LED’s bicolores o multicolores. El LED bicolor es en realidad un LED doble con un cátodo común y dos ánodos (3 terminales).

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Estructuras avanzadas de LEDs

LED a partir de una heterounión

Si el LED se fabrica de un solo semiconductor, existen algunos problemas que reducen la eficiencia del dispositivo. El primer problema es que en un LED homounión, el volumen de emisión de fotones debe estar cerca de la superficie de manera que los fotones emitidos no sean reabsorbidos. Como cerca de la superficie estamos en la interfase, la calidad del semiconductor normalmente no es muy buena por lo que existirán muchos defectos que producen recombinaciones no radiantes. El LED de heterounión resuelve este problema inyectando cargas desde un material de mayor anchura de la banda prohibida en una región activa de material de menor anchura de la banda prohibida. Al conectarse, este material ayuda a generar más recombinaciones sin que estas sean reabsorbidas y por lo tanto pueda apreciarse más la luz generada.

LED´s de emisión lateral

La región activa está rodeada de capas de confinamiento las cuales provocan que la luz salga al exterior por el borde del LED.

LED’s de emisión superficial

Al final del LED se acopla una fibra óptica practicando un orificio en el LED y adhiriéndola mediante la utilización de resina. Los fotones emitidos son directamente acoplados a la fibra óptica. En estructuras más avanzadas, se sitúa

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sobre el LED una microlente para mejorar la eficiencia del acoplamiento.

Espectro Electromagnético

Conjunto de ondas electromagnéticas que se propagan de manera ondulatorias y con velocidad constante, que es la de la luz, aproximadamente de 300.000 km/s. Las ondas electromagnéticas se dividen en luz visible, infrarroja, ultravioleta, rayos X, rayos gama, radiofrecuencia y microondas. Cada onda se diferencia en la frecuencia (número de vibraciones en la unidad de tiempo) y la longitud (distancia entre dos ondas sucesivas). Frecuencia y longitud de onda son inversamente proporcionales, por esto su producto siempre es constante e igual a la velocidad de la luz.

Características

Básicamente se muestran las diferentes composiciones de los chips utilizados en su fabricación; nombre químico del compuesto que emplean; color de emisión de luz propia de cada una de las composiciones químicas; tensiones o voltajes de polarización  aproximado de cada tipo de LED; frecuencia en Hertz (Hz) del espectro electromagnético correspondiente a la luz infrarroja (IR), a los colores de

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la luz visible y a los rayos ultravioleta, así como la longitud de onda " " también del espectro electromagnético correspondiente a cada color emitido, medida en nanómetros (nm).

Tabla de características principales:

Composicióndel chip

Nombre del compuestoColor de la luz

emitida

Tensión detrabajo en

volt (V)

Frecuencia en hertz

(Hz)

Longitud de onda en

nm

 GaAs  Arseniuro de galio < 1,9 < 4,0 x 1014 > 760

 GaP  Fosfuro de galio

± 1,84,8 - 4,0

x 1014 610 - 760

 GaAlAs  Arseniuro de galio y aluminio

 AlInGaP Fosfuro de aluminio indio y   galio

 GaAsP/GaP Fosfuro de galio y arsénico /   Fosfuro de galio

 AlInGaP Fosfuro de aluminio indio y   galio

± 2,0

5,1 - 4,8x 1014 590 - 610

 GaAsP/GaP Fosfuro de galio y arsénico /   Fosfuro de galio

 AlInGaP Fosfuro de aluminio indio y   galio 5,3 - 5,1

x 1014

570 - 590

 GaP  Fosfuro de galio

± 3,0 500 - 570 InGaN  Nitruro de indio y galio

5,8 - 5,3x 1014

 GaN  Nitruro de galio

 InGaN / Zafiro Nitruro de indio y galio / Zafiro

 SiC  Carburo de silicio

± 3,36,7 - 6,0

x 1014

450 - 500

 InGaN / Zafiro Nitruro de indio y galio / Zafiro

 GaN  Nitruro de galio

 InGaN / Zafiro Nitruro de indio y galio / Zafiro

 InGaN  Nitruro de indio y galio ± 3,47,9 - 6,7

x 1014

 GaN  Nitruro de galio ± 3,7 >7,9 x 1014 < 400

 Ce:YAG Granate-aluminio-itrio,  dopado de cerio

± 3,4 Espectro completo

 Espectro completo

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Aplicaciones:

En la actualidad se pueden acondicionar o incorporarse en un porcentaje mayor al 90 % a todas las tecnologías de iluminación actuales casas, oficinas, industrias, edificios, conciertos, discotecas, casinos, hoteles, carreteras, luces de tráfico o de semáforos, señalizaciones viales, universidades,  aeropuertos, celulares, cámaras de vigilancia, en transportes (bicicletas, motocicletas, automóviles, etc.), en linternas de mano, despertadores y un sinfín de artículos electrónicos. Todas estas aplicaciones se dan gracias a su diseño compacto. Y a que no contaminan.

Pantalla Led

Una de las aplicaciones más conocidas de estos dispositivos es en las pantallas

de LED. Éstas son dispositivos de vídeo que utilizan luces de LED dispuestas en

forma de matriz, donde los LED’s forman píxeles.

Los píxeles que se forman con los LED’s tienen que proyectar movimiento, por

esta razón se desarrolló una tecnología conocida como píxel dinámico. Lo que

hace esta tecnología de píxel dinámico es permitir el continuo cambio en los

colores de la luz que emiten los LED’s para dar la sensación de movimiento.

Al aplicar la tecnología de píxel dinámico se forman píxeles y subpíxeles que

permitirán una mayor combinación de colores. Con esta combinación de colores

se logran más de 16 mil millones de colores e imágenes de muy alta definición.

Los principales tipos de pantallas de LED son:

- Pantallas de LED para uso externo: Se utilizan en exteriores, suelen ser de gran

tamaño y hacer las veces de anuncios luminosos.

- Pantallas de LED de señalización: Se usan en espacios cerrados y, por lo

general, tienen una función de señalización.

- Pantallas de LED unilineal: Presentan texto limitado a una sola línea de LED’s.

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- Pantallas de LED Monocolor: No ofrecen variedad de colores.

- Pantallas de LED Full color: Son las que se utilizan para la proyección y

reproducción de vídeos de alta definición.

Bibliografía

[1] http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r81944.PDF

[2] Robert l. Boylestad Louis Nashelsky/ Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos Decima edición/ Pearson/ Paginas 814-816

[3] Albert Paul Malvino/ Principios de Electrónica sexta edición/ Mc Graw Hill/ paginas 180,265

http://www.uv.es/~esanchis/cef/pdf/Temas/B_T3.pdf

http://www.todopic.com.ar/led.html

http://www.ehowenespanol.com/son-longitudes-onda-led-info_236971/

http://es.wikipedia.org/wiki/Led

http://www.asifunciona.com/fisica/af_leds/af_leds_3.htm

http://www.ojocientifico.com/3577/como-funciona-el-led

http://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/6782/DISENOILUMINA.pdf?sequence=1

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