Esta es la intrigante e iluminante (pero corta) historia del desarrollo del Diodo Emisor de Luz o LED (Light-Emitting Diode). Esta inocente lucecita hizo su debut en la sociedad electrotécnica como un humilde componente electrónico, siendo práctico recientemente en el año 1962 de nuestra Era Común. No mucho después de esto, este dispositivo se convirtió en un ineluctable* elemento en casi todos los aparatos electrónicos que conocemos hoy.
Los diodos emisores de luz o simplemente LED, se encuentran entre los más utilizados de los diferentes tipos de diodos semiconductores disponibles en la actualidad y se usan comúnmente en televisores y pantallas a color. Hay muchos tipos de LED, y en diferentes colores*:
- Gallium Arsenide (GaAs) – infrarrojo
- Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP) - rojo a infrarrojo, naranja
- Aluminium Gallium Arsenide Phosphide (AlGaAsP) - rojo alto brillo, rojo anaranjado, naranja y amarillo
- Gallium Phosphide (GaP) - rojo, amarillo y verde
- Aluminium Gallium Phosphide (AlGaP) - verde
- Gallium Nitride (GaN) - verde, verde esmeralda
- Gallium Indium Nitride (GaInN) - casi ultravioleta, azul verdoso y azul
- Silicon Carbide (SiC) - azul como sustrato
- Zinc Selenide (ZnSe) – azul
- Aluminium Gallium Nitride (AlGaN) – ultravioleta
* He puesto los nombres de los diodos en Inglés porque su traducción es mañosa. Por ejemplo, Phosphide es Fosfuro y no Fósforo. Entonces para evitar malentendidos o alguna paragnosia* , los he listado en Inglés. ¿Qué cosas, no?
Veamos cómo pasó.
El ahora bien conocido diodo emisor de luz (LED) es una fuente de luz semiconductora formado por dos conductores. Es un diodo de unión p-n que emite luz cuando se activa. Una unión p-n es un límite o una interface entre dos tipos de materiales semiconductores, uno del tipo p (carga positiva) y uno del tipo n (carga negativa), contenidos e integrados ambos dentro de una misma pieza de cristal semiconductor.
Cuando se aplica una corriente eléctrica adecuada a los cables que están conectados con los diodos, los electrones mediante un proceso de recombinación liberan energía en forma de fotones. Este efecto se llama electroluminiscencia, y el color de la luz (que corresponde a la energía del fotón) está determinado por el rango de energía del semiconductor. Los LED suelen ser muy pequeños midiendo menos de 1mm2. Pero antes de su aparición es escena, muchas cosas pasaron. Helas aquí.
Érase una Vez…
Desde el principio de la vida humana los Homo Sapiens han precisado luz. Normalmente la luz solar, la luz selenita y el fuego fueron los primeros básicos aperos para nuestras necesidades de iluminación. Con la ayuda de la luz, nuestros antepasados podían escudriñar por alimentos durante el día, y aprovechando la luz selenita además de ayudarse con el fuego, obtenían la necesaria iluminación nocturna.
Desde el nacimiento de la humanidad hubo varios pasos en iluminación comenzando con el primer recurso de iluminación; el sol (y su reflejo sobre la luna). Luego hizo su aparición el fuego alrededor del año 125.000 Antes de la Era Común (AEC) como uno de los primeros descubrimientos del ser humano. Las lámparas de terracota surgieron alrededor del año 4.500 Antes de la Era Común (AEC) las que como combustible, usaban pasto seco, trozos de madera y grasa animal.
La carrera de la iluminación comenzó en el año 500 Antes de la Era Común (AEC), los Romanos comenzaron a fabricar las primeras velas sólidas sumergiendo una delgada sirga en Tallow. El tallow es una grasa proveniente de res o de cordero, la que se solidifica a temperatura ambiente. En el año 1802 de la Era Común (EC) apareció la primera luz eléctrica de Humphry Davy. En 1807 de la Era Común (EC) Frederick Albert Windsor estrenó en Pall Mall, Londres la primera luz pública de gas.
En el año 1878 Tomás Edison estrenó la primera bombilla eléctrica práctica con la que en el año 1878 las calles de París se iluminaron con electricidad y ampolletas, para celebrar la apertura de la Exposición Universal de París. Luego en 1902 Georges Claude inventó la primera lámpara de Neón. En 1907, aparece el cristal de Carborundum el que con la aplicación de 10 voltios, emitía luz amarillenta (luz LED). En 1962, cuando usted todavía estaba en la escuela; Nick Holonyak Junior desarrollo la luz visible del rayo Láser.
¡Y la carrera de la iluminación sigue! Recientemente en 1972, M. George Crawford inventó la primera luz LED amarilla, y una luz LED roja mucho más brillante. En 1976 el iluminado Thomas P. Pearshall desarrolló las luces LED de alta brillantez usando fibra óptica para telecomunicaciones. Shuji Nakamura en 1979 confeccionó la primera luz LED azul. Poco tiempo después de esto, en los 1990s Isamu Akasaki, Hiroshi Armano, y Shuji Nakamura inventaron los rayos de luz LED blanca muy brillante, las que usted usa en su automóvil para ver de noche. Espero que esta pequeña reseña histórica lo haya iluminado un poco...
En más Detalle
Entonces desde el principio, la oscuridad seguía siendo un problema para el hombre (y la mujer aunque en ese tiempo no tenían derecho a voto) y a medida que pasaba el tiempo, la necesidad del humano con respecto a la oscuridad requería y demandaba mejor y más iluminación de la que una apacible fogata parpadeante podía proveer. Esto gatilló el origen de la historia de la iluminación.
Nos vamos a saltar unos cuantos cientos de miles de años durante los cuales la iluminación era solo un aspecto funcional para el uso cotidiano. Únicamente durante nuestra generación, se ha incorporado la iluminación decorativa. Este radical cambio hizo posible una gran disponibilidad como fuente de luz pública, la que probó ser más efectiva, conveniente y segura que las velas, las lámparas de aceite, y la anacrónica luz de gas.
Si es cierto que le damos crédito a Thomas Edison por la invención de su bombilla o ampolleta en el año 1878, debemos tener en cuenta que la iluminación moderna emergió en forma masiva mucho más tarde en el año 1802 gracias a la lámpara de arco de carbón de Sir Humphry Davy, quien fué un químico e inventor proveniente del Condado de Cornwall, Inglaterra.
Cuando la electricidad se hizo más dúctil y moldeable y su uso más flexible y generalizado, se generaron grandes avances en la tecnología de iluminación, además de un incremento acelerado en el uso de esta tecnología. El descubrimiento de la técnica LED inició su carrera en el año 1907 cuando Henry Joseph Round descubrió que si se aplicaba voltaje a cristales de Carborundum (también conocido como Silicon Carbide), éstos emitían una brillante luz biliosa, y este experimento le dió un veloz nacimiento a esta nueva tecnología LED, la que hoy podemos utilizar en muchos diferentes colores.
Un mundo sin la tecnología LED de hoy sería completamente irreconocible sin contar con ampolletas de bajo consumo, calculadoras, pantallas de computadora, los faros de automóviles, teléfonos, paneles de información, su reloj digital, las pantallas de TV y otros varios inventos, y por supuesto, las icónicas luces para adornar los arbolitos de Navidad entre muchas otras cosas.
Los dispositivos de estado sólido como los diodos LED están sujetos a un deterioro bastante limitado si se operan a bajas corrientes y bajas temperaturas. La vida útil típica de un diodo es alrededor de 25,000 a 100,000 horas de iluminación. La configuración de calor y de corriente para operar un LED puede extender o acortar significantemente la vida útil de un LED.
OLED
También tenemos el OLED (diodo orgánico emisor de luz). Un diodo orgánico emisor de luz (OLED) es un diodo emisor de luz (LED) en que la capa emisora de electroluminiscencia es una película que está hecha de un compuesto orgánico, la que genera luz en respuesta a una corriente eléctrica. Este manto de capas orgánicas está situado entre dos electrodos; de los cuales al menos uno de éstos es transparente. Los OLED se utilizan para crear pantallas digitales para televisión, monitores de computadora, sistemas portátiles como teléfonos móviles, consolas de juegos portátiles y PDAs o “tabletas”.
¿Se acuerda usted de aquellos televisores de nuestra juventud que usaban tubos de rayos catódicos? Aquellos más grandes eran demasiado pesados para levantarlos, y había que reclutar una cuadrilla para moverlo de la sala de estar al dormitorio. Los televisores en la década de 1940 eran peores. Los tubos de rayos catódicos que tenían eran tan largos que tuvieron que instalarse verticalmente, entonces dirigían la hacia arriba, y para poder proyectarla hacia adelante en forma horizontal, tenían un pequeño espejo en la parte superior para reflejar las imágenes de lado. ¿Qué cosas, no?
Las pantallas de estos televisores eran bastante más pequeñas, y para poder ver bien, había que tener una vista 20/20. Hoy la mayoría de nosotros tiene computadores y televisores con pantallas LCD (Liquid-Crystal Display), las que son lo suficientemente delgadas como para montarlas en la pared, y para acarrear los computadores portátiles ya no necesitamos una grúa. Lo mismo ocurre con los teléfonos celulares de hoy los que evolucionaron del tamaño ladrillo al tamaño billetera sin dinero.
La nueva generación de pantallas con tecnología OLED son súper livianos, delgados casi como papel y lo suficientemente flexibles como para imprimir estas pantallas en casi cualquier superficie, incluso en nuestro ropaje. Y todas estas pantallas producen imágenes muchísimo más brillantes, coloridas y nítidas que las de sus gloriosos antepasados armados con tubos de rayos catódicos.
Ventajas y Desventajas
Los aparatos OLED son más aventajados que sus primos LCD en varios aspectos. La ventaja más patente es que estas pantallas son bastante más delgadas comparadas con las pantallas estándar de LCD, las que son alrededor de 10 (o más) veces en grosor. Las pantallas OLED -contrario a las LCD- son más livianas, flexibles, y brillantes; y al no necesitar luz de contra-fondo consumen solo una pequeña porción de energía de lo que las pantallas LCD consumen. Este consumo mínimo de electricidad extiende la vida de las baterías en los aparatos portátiles.
Las pantallas OLED se refrescan o reaniman más rápido y responden al cambio simultáneo de imágenes hasta 200 veces más rápido que las pantallas LCD. Esta diferencia de velocidad se puede experimentar viendo deportes transmitidos “en vivo”, o en juegos interactivos de consola o de computador. Los colores de una pantalla OLED son realistas y poseen un ángulo de visión mucho más amplio.
Uno de los mayores problemas de las pantallas OLED es que tienen una vida útil más limitada comparada con su competidor LCD. La degradación de las moléculas orgánicas de las primeras versiones de las pantallas OLED se debilitaban cerca de cuatro veces más rápido que las pantallas LCD o LED convencionales. Las nuevas pantallas han mejorado mucho en este aspecto, haciendo las pantallas OLED más competitivas en el mercado.
Otra reacción desventajosa es que las moléculas orgánicas en las pantallas OLED son sensibles a la humedad y al agua, lo que es una amenaza para elementos portátiles como teléfonos celulares y “tabletas”.
Desarrollo comercial inicial
Los primeros LED comerciales se usaron comúnmente como reemplazos para lámparas incandescentes y de neón, y en pantallas de siete segmentos. Esto se utilizó al principio en equipos costosos como aquellos de prueba de laboratorio y electrónicas, y luego en aparatos tales como calculadoras, televisores, radios, teléfonos, y en relojes. Hasta el año 1968, los LED visibles e infrarrojos eran extremadamente costosos de producir por lo que les hacía ser demasiado caros en el mercado -alrededor de US $200 por unidad, lo que rendía su uso poco práctico. La terrible, deshonesta y piacular* compañía Monsanto fué la primera organización en producir LED visibles en masa, utilizando Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP) en 1968 para producir LED rojos adecuados para indicadores.
Hewlett-Packard (HP) estrenó sus propios LED en 1968, inicialmente utilizando GaAsP suministrado por Monsanto. Estos LED rojos eran lo suficientemente brillantes solo para usarlos como indicadores, ya que la salida de luz no era suficiente para iluminar un área. Las lecturas en las calculadoras eran tan pequeñas que se tuvieron que construír lentes de plástico sobre cada dígito para hacerlos legibles. Más tarde, otros colores se hicieron ampliamente disponibles, y aparecieron en muchos otros aparatos y en variados equipos electrónicos.
En la década de 1970, la fabricación de dispositivos LED que obtuvieron más éxito comercial aparecieron con un costo de producción de menos de cinco centavos cada uno, los que fueron manufacturados por la compañía Fairchild Optoelectronics. Estos dispositivos emplean chips semiconductores compuestos fabricados con el proceso Planar inventado por el Dr. Jean Hoerni en la compañía Fairchild Semiconductor.
El proceso Planar es un proceso de fabricación utilizado en la industria de semiconductores para construír componentes individuales para un transistor y a su vez, conectar esos transistores entre sí. Es el proceso básico con el cual se construyen los modernos circuitos integrados. El proceso fué desarrollado por Jean Hoerni, uno de los "Ocho Traidores", mientras trabajaba en Fairchild Semiconductor, con una primera patente emitida en 1959.
Los Ocho Traidores
Los llamados Ocho Traidores fué un grupo de ocho empleados que desertaron de Shockley Semiconductor Laboratory en 1957 para fundar Fairchild Semiconductor. William Shockley había reclutado ya en 1956 a un grupo de jóvenes graduados con un Doctorado con el objetivo de desarrollar y producir nuevos dispositivos semiconductores. Shockley recibió el Premio Nobel de Física y era un investigador y profesor con muchísima experiencia, pero su gerencia, administración y manejo del grupo era autoritaria y malquista*.
Esto se acentuó por el hecho de que el enfoque de investigación de Shockley no estaba dando los resultados esperados y la compañía estaba preocupada por los costos de investigación y desarrollo, los que no estaban dando frutos. Después de que la petición de Shockley para ser reemplazado fué rechazada por la compañía, los ocho abandonaron la compañía para formar su propia empresa.
La combinación del proceso Planar utilizado para la fabricación de chips e innovadores métodos de envasado permitieron al equipo de Fairchild liderado por el pionero de la optoelectrónica Thomas Brandt, lograr las reducciones de costos necesarias. Hoy en día, los productores de LED continúan utilizando estos métodos originarios.
Los primeros LED se empaquetaban en cajas metálicas similares a las de los transistores, con una ventana de vidrio o un lente para liberar la luz. Los indicadores LED modernos están empacados en cajas de plástico moldeadas transparentes, de forma tubular o rectangular, y con frecuencia se tiñen para que coincidan con el color del dispositivo. Los dispositivos infrarrojos se tiñen de color para bloquear la luz visible. Se han adaptado paquetes más complejos para una disipación de calor eficiente en el LED de alta potencia.
Hay mucho más que decir sobre este tema, pero ya me aburrí.
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Et sub Glossarium Glossarium – (Cum amore legentibus)
Ineluctable - Necesario
Malquista – no popular, impopular
Paragnosia – Malentendido, confusión
Piacular - Expiatorio; atrozmente malo
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Post scriptum et quorumdam suggestionibus pro futurum: Si hay algún tema sobre el cual usted quisiera leer mis traumáticas y ligeramente psicopatísticas opiniones, por favor sugiéralo a: rguajardo@rguajardo.us.
Caveat: Mis opiniones personales pueden resultarle ácidas, demasiado honestas, corrosivas, irreverentes, insultantes, altamente irónicas, acerbas, licenciosas, mordaces y de una causticidad filosófica sin límites conocidos por el ser humano, y quizá no le apetezcan o acomoden intelectualmente; pero es lo que habrá disponible basado en su pedido. Gracias.
El Loco
