1. Diodos Emisores de Luz (LED)
1. Introducción
2. Portadores y uniones pn
3. Luminiscencia por inyección
4. Materiales LED
5. Recombinación
6. Recombinación no-radiativa
7. Procesos de Recombinación radiativa
8. Eficiencia
9. Estructura de LEDs
10. Tiempos de respuesta
11. Circuitos para operación de LEDs
12. LEDs en una cavidad
13. Visión Humana
14. LEDs para iluminación
15. LEDs Orgánicos (OLED)

2. Referencias
• “Optoelectronics, an introduction” J. Wilson and J. Hawkes, Prentice
Hall (1998)
• “Semiconductor Optoelectronic Devices”, Pallab Bhattacharya,
Prentice Hall (1997)
• www.lightemittingdiodes.org, by E.F. Schubert
• “Optoelectronics and photonics”, S.O. Kasap, Prentice Hall (2001)
• PN Junction Devices, S.O.Kasap,
http://materials.usask.ca/samples/PNJunctionDevices.pdf
• “Optical Electronics in Modern Communications”, Amnon Yariv,
Oxford University Press, 1997

3. 1 Introducción
LED LÁSER
emisión espontánea emisión estimulada
sin cavidad necesita cavidad y espejos
incoherente coherente
multimodo 1 modo
anchura de línea grande pequeño
barato, fiable degradación
output lineal modulación no lineal, pero anchura de
banda pequeña

4. Aplicaciones de LEDs
• Comunicación óptica
• Pantallas
• Iluminación (color o luz blanca):
• semiconductores
• semiconductores con fósforos

5. Aplicaciones de LEDs
Previsión de la expansión del mercado
Desarrollo nuevo en: de Iluminación por LED
• LEDs de alta potencia
• LEDs en cavidades resonantes
• LEDs de emisión azul/verde
• LEDs Orgánicos (OLED)

6. Emisión del primer LED
Emisión de un diodo Schottky de SiC en 1907

7. 2. Portadores y Unión pn
Distribución de portadores
Mecánica estadística en semiconductores
Los electrones en equilibrio térmico se distribuyen según estadística de Fermi-Dirac
IH ( 7 = con ȝ el potencial químico y kB la cte. de Boltzman, [ȝ≡EF]
( −µ
(kBT= 25 meV @ 300 K)
+H N %7
Fermiones, Principio de Exclusión de Pauli
1.00
Factor ocupación Fermi , f(E)
0.75
0.1 K (0.83 meV)
12 K (1 meV)
ȝ, energía para la que ocupación = ½
144 K (12 meV)
A T=0, f ≡ función escalera
300 K (25 meV)
0.50
Para huecos:
0.25
( −µ
N %7
H
0.00 IK ( 7 = − (−µ
= ( −µ
= − ( −µ
0 10 20 30 40 50 60 70
Energía (kBT) +H N %7
+H N %7
+H N %7
Energías hacia abajo

8. Distribución de portadores
Mecánica estadística en semiconductores
Para energías mucho mayores que ȝ, la distribución se comporta como Maxwell-Boltzmann:
( µ
−
I0 −% ( 7 = $ H N %7
FRQ $ = H N %7
Probabilidades de ocupación bajas poca influencia Ppo Exclusión de Pauli
La posición de ȝ (EF) depende de Nº e’s, N, y de distribución en energía de estados disponibles
El nº de e’s por unidad de intervalo de energía es:
Q ( = I (7 J ( FRQ J ( OD GHQVLGDG GH HVWDGRV
Con lo que el número total de e’s: 1 =
³I ( 7 J ( G(
y ȝ es como un parámetro de normalización para dar N correcto
Para una densidad de estados parabólica y a T = 0 K:
§ P · § P · =
( π 1)
()
1 =³ ( G( = () () = =
π ¨ = ¹
©
¸ ¨ ¸
π © = ¹ P

9. Distribución de portadores
Mecánica estadística en semiconductores
Estadísticas degeneradas y no-degeneradas
Muy pocos e’s
probabilidad de ocupación a T finita << 1 no-degenerada
aproximación de Maxwell-Boltzmann >>kBT
ȝ
> 2kBT dentro del gap
Muchos e’s ȝ
probabilidad de ocupación de algunos estados ~ 1 >>kBT degenerada
Estadística de Fermi-Dirac
Incluso a T  0: =
() = =
P
( π 1)
> 4kBT dentro de la banda

10. Portadores, diagrama de energía
no-degenerada
DOS Densidad de energía de los
densidad de Distribución
electrones = f(E)g(E) (BC)
estados g(E) Fermi-Dirac
© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

11. Ley de acción de masas
Mecánica estadística en semiconductores
Si uno de los siguientes criterios se cumple:
¾Masa efectiva grande Válida estadística no-degenerada
¾Concentración de portadores pequeña
¾Alta temperatura
Usando un mismo nivel de referencia de energías para BC y BV y mismo convenio de signos:
()K ()H − (J
−
S ≅ 1Y H N %7
Q ≅ 1F H N %7
QS = QL
− (J N %7
Por lo que: Con QL = 1 F 1 Y H
Sin dopaje (intrínseco)
ni (cm-3) 0º C 50º C el nº de e’s y h’s debe ser el mismo
Si 1.04x109 7.06x1010
GaAs 1.02x105 2.18x107
(J N %7 §1 · (J N7 §P ·
() = + ORJ ¨ F ¸ = + % ORJ ¨ K ¸ en (intrínseco)
© 1Y ¹ © P H ¹ EF cerca del medio del gap

12. Bandas de energía
intrínseco tipo n tipo p
EF
degenerado tipo n tipo p
- +
© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

13. Unión pn
‘built-in
potential’
© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

14. Unión pn
NA concentración de aceptores
ND concentración de donores
http://materials.usask.ca/samples/PNJunctionDevices.pdf

15. Unión pn
portadores mayoritarios
portadores minoritarios

16. Electrostática de la unión p-n
4 3 2 1
9 =
ρ(x)
x T1 $
-xp xn 9 = [ + [S
ε
E(x)
T1 ' 1'
9 = − [ + [[Q + [Q
ε 1$
V(x) T1 ' T1 $
9 = [Q + [ S = 9L
ε ε
Vi
w

17. Electrostática de la unión p-n
4 3 2 1 Union real (LPE)
ρ(x)
ε 9D
x ρ [ = [
-xp xn D +[
E(x)
9D
( [ =−
D +[
V(x)
9§ [ ·
9 [ = ¨ −
¨ ¸
¸
Vi © D +[ ¹

18. Transporte
NA concentración de aceptores
ND concentración de donores
conductividad: σ = TQµ H + TSµ K
Drift corriente ohmica: (drift) movilidad= velocidad de drift promedio
por unidad de campo
ϑ' Tτ H
µH = =−
( PH
Difusión difusión: De (electrones) Dh (huecos)
'H K N %7
relación de Einstein =
µH K T

19. Electrostática de la unión p-n
- +
- +
- + E
jdiff
jdrift
§ GQ ·
M = MGULIW + MGLII = T¨ Qµ ( + ' ¸=
© G[ ¹

20. Anchura de la zona de vaciado
ρ(x) = depletion layer
= space charge layer (SCL)
x
-xp xn
T1' T1$ ½
( = [Q = [S °
ε ε ° ª ε§ · º
¾ : = [Q + [ S = « ¨¨ 1 + 1 ¸9L »
¸
T ( ¬T© ' $¹ ¼
9L = 1 $ [ S + 1' [Q = [Q + [ S °
°
ε ¿
ª ε º
1 ' >> 1 $ Ÿ : = « 9L »
¬ T1 $ ¼
Manda el dopaje residual

21. Polarización
Sin polarizar
Nivel de Fermi igual
en todo el material
Polarización directa
(forward bias)
Polarización inversa
(reverse bias)
Polarización: Vi Ÿ Vi-V
ε § ·
:= ¨
9L − 9 ¨ + ¸
T © 1' 1 $ ¸
¹

22. Boltzmann
Unión pn: polarización H − H 9 −9 N %7
circuito polarización
abierto directa
generación
polarización térmica de
inversa portadores
© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

23. Polarización directa
© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

24. Corrientes a través de la unión p-n
MHS→Q Q→ S
MHQ→ S M H
Inyección y difusión
S →Q
p M K
S →Q
n M H
S →Q
M K Q→ S
Generación térmica
M K + drift
MK → S
Q
G
Corriente ohmica ( ≠ Ÿ - GU = TQµ(
∂Q G ∂Q
Corriente de difusión ≠ Ÿ - GLII = T'
∂[ G[
S→Q Q→ S S→Q Q→ S
Equilibrio: M H = M H M K = M K

25. Corrientes a través de la unión p-n
Polarización directa
µ H K N %7
'H K =
T
p
n /H K = τ H K 'H K
+ - Longitud de difusión
Log (n,p)
pP0
nN0
nP(0-) pn(0+)
§ 'K S 1 'H Q 3 ·§ T9
·
M = T¨
¨ / + ¸¨ H
¸¨
N7
− ¸
¸ pN0
/H nP0 δp(x)
© K ¹© ¹ δn(x)
W

26. Polarización inversa
© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

27. Electrostática de la unión p-n
Polarización inversa
T9 T9
−
p 9 → −9 Ÿ H N7
− →H N7
− ≈−
§ 'K S 1 'H Q 3 ·
n ¨
M ≈ −T¨ + ¸ = MV
¸
© /K /H ¹
En general:
§ T9 · jS
M = MV ¨ H − ¸
¨
N7
¸
© ¹
V > meV
T9
ηI
M = MV H N7

28. Ecuación del diodo
En general:
§ T9 ·
M = MV ¨ H − ¸
¨
N7
¸
© ¹
jS

29. 3 Luminiscencia por inyección
Polarización directa
Inyección de portadores minoritarios
Recombinación radiativa
λJ = KF ( J KF λJ = (F − (Y = ( J

30. Densidad de portadores
Polarización Directa Inversa
p n p n
Portadores
Mayoritarios
Portadores
minoritarios

31. Homouniones y heterouniones
Homounión Sin Polarizar
Homounión Polarización directa
Heterounión
Polarización directa
doble

32. 4 Materiales para
LEDs

33. Materiales para LEDs
• GaAs Eg=1.43 eV (860 nm)
Zn en tipo n GaAs
Si en material tipo p o n (más eficiente)
• GaP Eg=2.26 eV (549 nm) gap indirecto
O impureza profunda
• GaAs1-xPx de directo x<0.45 a indirecto x>0.45
• GaxAl1-xAs alta eficiencia rojo e IR
• III-V Nitruros
GaN, AlN, .. azul-verde
• InP (compuestos)
InGaAs, InGaPAs IR cercano: 1.1 – 1.6 µm
uso: comunicaciones con fibra óptica
• II-VI (ZnSe .. ) degradación
• SiC difícil fabricación

34. Materiales semiconductores para LEDs

35. Atenuación de
una Fibra Óptica

36. Semiconductores III-V
El sistema AlGaAs apto para LEDs IR y rojo de alta potencia

37. El sistema AlGaInP/GaAs
Sistema para LEDs muy brillantes en el rojo, naranja y amarillo

38. 5 Recombinación
A) radiativa B) NO-radiativa
• Transiciones Interbanda • Trampas
• Centros de Impureza • Superficie
• Excitones • Auger

39. Recombinación radiativa
Transiciones Interbanda
Conservación de vector de onda total Directa Indirecta
N IRWRQ = π λ << π D ≈ NHOHFWURQ
Ec
( D constante de red)
-> transiciones verticales Ev
Coeficiente de recombinación r :
r=Bnp
B constante del material
(direct recombination capture coefficient) Transiciones indirectas
necesitan fonon para
Problema: reabsorción de fotones conservación de k
emitidos es posible

40. Constante de Recombinación
indirecto
directo

41. Recombinación radiativa
Recombinación por centros de impureza
Banda de
Conducción
- Nivel de donor
Banda de - Nivel de aceptor
Valencia
Electrón en impureza: localizado
∆[∆ S ≥ = ∆N ≥
∆[
π
∆[≈D ∆N ≥ ≈ FRPSDUDEOH FRQ
∆[ D D
( D constante de red) transiciones indirectas
posibles sin fonones

42. Recombinación radiativa
Recombinación por centros de impureza
Ec Banda de Conducción
- Ed Nivel de donor
- Ea Nivel de aceptor
Ev Banda de Valencia
Impurezas poco profundas
Impurezas profundas
Ec-Ed , Ea-Ev ≈ 0.02 eV ≈ 0.8 eV para O en GaP
kT ≈ 0.025 eV ¡no hay reabsorción !
reabsorción posible

43. Recombinación radiativa
Recombinación por excitones
Energía de ligadura Eb del excitón (par de electrón-hueco ligado):
PU § ·
(E = ¨
¨ε ¸
¸ H9
P © U ¹
mr masa reducida
GaAs: εr =11.5, mr =0.06m0 : Eb = 5.9 meV (calc), 4.8 meV (medida)
Excitones libres o ligados a impurezas neutrales o ionizados
Energía de ligadura de un excitón ligado a una impureza:
Eb ≈ 0.1 Ei

44. Espectro de Emisión Interbanda
© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
, ( ∝ ( − (F H − ( − () N7 N %7 λ
∆λ ≈
KF
(HPLVLyQ ≈ ( J + N %7
λ=870 nm, T=300 K : ∆λ0 = 47 nm
∆( = − N %7

45. 6 Recombinación no-radiativa
• Trampas (niveles profundos)
• Superficie
• Auger
no-radiativa Nivel profundo Auger radiativa

46. Recombinación no-radiativa: Trampas
Nivel profundo (trampa) producido por una variedad de defectos:
impurezas: sustitucional, intersticial,
vacantes, combinaciones de
ET La trampa puede capturar o emitir
huecos o electrones

47. Recombinación
Trampa opticamente activa

48. Recombinación no-radiativa: Trampas
Teoría de Shockley-Read-Hall de recombinación:
QS − QL
5QU = VϑWK 1 7 Ritmo de
§ ( − ( )L · recombinación
Q + S + QL FRVK ¨ 7
¨ N 7 ¸ ¸ no-radiativa
© % ¹
V = VHFFLyQ HILFD]
ϑWK = YHORFLGDG WpUPLFD GH ORV SRUWDGRUHV
1 7 = FRQFHQWUDFLyQ GH WUDPSDV
( )L = QLYHO LQWUtQVHFR
QS − QL desviación de equilibrio
ET se aleja del centro del gap Ÿ R ↓

49. Recombinación no-radiativa: Trampas
• Semiconductor tipo n: n >> p
• ET en el centro del gap,
• inyección de bajo nivel (∆n << n0)
5QU = VϑWK 1 7 [ S − S ] Tiempo de vida no depende de la
concentración de portadores
= [S − S ] mayoritarios n
τK
Rnr determinado por concentración
portadores minoritarios
τK =
VϑWK 1 7

50. Recombinación no-radiativa: Superficie

51. Recombinación no-radiativa: Superficie
Portadores
Mayoritarios
Portadores
minoritarios

52. Recombinación no-radiativa: Superficie
Estados de defectos a la superficie por ‘lazos sueltos’, o ligados a Oxigeno
minimizar:
• pasivar con un dielectrico (SiO2 o SiN por ejemplo)
• heterounión
(materiales con gap más grande no hay absorción: ventana)
Inyección en tipo n: n >> p
NST densidad de estados a la superficie.
Ritmo de recombinación a la superficie:
RS = flujo de portadores minoritarios (huecos)

53. Recombinación no-radiativa: Superficie
Inyección en tipo n: n >> p
NST densidad de estados a la superficie, hasta una profundidad [O
Ritmo de recombinación a la superficie RS
= flujo de portadores minoritarios (huecos)
a la superficie
∂S
56 = VϑWK 1 67 [O [ S ( ) − S ] = 'K
∂[ [ =
Velocidad de recombinación a la superficie:
6 5 = VϑWK 1 67
Recombinación a la superficie en
semiconductor tipo p

54. Recombinación no-radiativa: Superficie

55. 7 El proceso de Recombinación
Portadores minoritarios en exceso se
recombinan después de un tiempo
de vida con portadores mayoritarios.

56. Ritmo de Recombinación
En un semiconductor tipo n : generación y recombinación de huecos:
Ritmo de Recombinación (Recombination rate)
5= (S − S )
τK τK tiempo de vida
del hueco
Recombinación
- Radiativa - No-Radiativa
- Volumen: Defectos, Trampas, Auger, …
- Superficie
foton fonon

57. Procesos de recombinación
radiativa
Tiempo de vida de los portadores:
= +
τ τ U τ QU
no-radiativa
Ritmo de recombinación total:
5WRWDO = 5U + 5QU = 5VS
Eficiencia cuántica interna (eficiencia radiativa de recombinación):
5U
ηU = = FXDQGR τ U QU = ∆Q 5U QU (proceso exponencial)
5U + 5QU + τ U τ QU
∆Q Concentración de
portadores en exceso

58. Portadores
Q S = QL ‘law of mass action’
ni concentración intrínseca
S = S + ∆S
Inyección:
Q = Q + ∆Q
QS − QL Desviación
de equilibrio

59. Recombinación radiativa: Interbanda
S = S + ∆S
5U = %U QS 5U = %U (Q + ∆Q )( S + ∆S )
Q = Q + ∆Q
∆Q = ∆S
Ritmo de recombinación de portadores en exceso (inyectados):
∆Q
5UH[ =
τU
Ritmo de recombinación de portadores en equilibrio:
5U = %U Q S
Ritmo de recombinación
GQ G ∆Q
5UH[ = − =− = %U ( Q + ∆Q )( S + ∆S ) − %U QL
GW GW

60. Recombinación radiativa: Interbanda
Ritmo de recombinación de portadores en exceso (inyectados):
G ∆Q
5UH[ = − = %U ∆Q ( Q + S + ∆Q )
GW
τU =
%U ( Q + S + ∆Q )
Inyección baja ∆n, ∆p << n0, p0 τU =
%U ( Q + S )
tipo n: n0 >> p0
G∆S
− = %U Q ∆S Ÿ ∆S = ∆S ( ) H[S ( − %U QW ) = ∆S ( ) H[S ( −W τ K )
GW

61. Recombinación radiativa: Interbanda
Inyección baja ∆n << n0, p0
−
τ K U = ( %Q ) Tiempo de vida de recombinación de portadores minoritarios
(de huecos en material tipo n)
determinado por concentración de portadores mayoritarios
G ∆Q
Inyección alta ∆n >> n0, p0 5UH[ = − = %U ∆Q ( Q + S + ∆Q )
GW
−
τ U ≅ ( % ∆Q ) Caso de LED con inyección alta y láser
determinado por concentración de portadores
inyectados (minoritarios)

62. Tiempo de vida de portadores minoritarios
−
τ U = ( %Q )
1 µV
GaAs a 300 K
1 QV
Tiempo de vida disminuye con dopaje

63. Ritmo en GaAs y Si
radiativa
Rb-b interbanda
no-radiativa
Rdl nivel profundo
RA Auger

64. 8 Eficiencia
Eficiencias de
¾ inyección η LQ la parte de la corriente creando portadores
minoritarios para recombinar
¾ recombinación
ηU η U = 5U (5U + 5QU )
(interna)
¾ extracción ηH nº fotones emitido al exterior / total emitido
Total
( conversión externa)
η = η LQ η U η H
3RXW 2SWLFDO
η = η H[WHUQD =
,9

65. Eficiencia de materiales LED

66. Eficiencia de inyección ηLQ
Corriente a través de la unión p-n en polarización directa
§ 'K S 1 'H Q 3 ·§ T9 ·
M = MK +
+ MH −
= T¨
¨ / + ¸¨ H − ¸
¸¨
N7
¸
© K /H ¹© ¹
Para sólo inyección de electrones en capa p
'H Q 3
Electrones inyectados
−
en la parte p MH /H
= η LQ = + −
=
Corriente total MK + MH 'K S 1
+
'H Q 3
/K /H

67. Eficiencia de inyección ηLQ
Para sólo inyección de electrones en capa p
η LQ = ≈
'K /H S 1 µ K S3
+ +
' H /K Q 3 µHQ1
con µ H >> µ K
/H ≈ /K
Q3 S3 = Q1 S 1 = QL
Ÿ η LQ ≅ mas alta con nN >> pP capa n mas dopado

68. Dispositivo con sólo inyección de electrones ηLQ
p n
LED Asimétrico:
ρ(x) Unión n+-p : ND (capa n) >> NA (capa p)
x
-xp xn
1 ' [Q = 1 $ [ S Ÿ 9 S >> 9Q
E(x)
Realización de nN >> pP
V(x) Sólo importan para la recombinación
electrones minoritarios inyectados en
capa p
Vi
w

69. Union n+-p : Surface-emitting LED ηLQ
simple y barato por ejemplo:
- con emisión de excitones (GaP)
- heterouniones
energía emisión < energía gap

70. Eficiencia de Recombinación ηU
η U = 5U (5U + 5QU )
Materiales de gap directo (homounión) ~ 50%
- electrones entran profundo en región activa
- fotones reabsorbidos
- fotones emitidos hacia dentro del LED
Materiales de gap indirecto: pequeño
con impurezas profundas: GaP:Zn, O: ~ 30%
GaP:N ~ 3%
Estructuras de Doble Heterounión: 60 - 80%

71. Eficiencia de extracción ηH
Limitado por:
1. Reabsorción

72. Eficiencia de extracción ηH
Limitado por:
2. Geometría de radiación del LED
(fotones emitidos con θ > θc atrapados)
θ F = VLQ − (Q Q )
Para GaAs n=3.6 θc=17º

73. Eficiencia de extracción ηH
§Q · ª §Q −Q · º
Fracción transmitida )= ¨
¨Q ¸
¸ « −¨
¨Q +Q ¸ »
¸
a medio 2 © ¹ « ©
¬ ¹ »
¼
GaAs: n1=3.6, n2=1 (aire) F ≈ 0.013
n2=1.5 (plástico) F ≈ 0.036

74. Distribución angular de Intensidad ηH

75. Distribución angular de Intensidad ηH
LED planar:
Lambertian
, , FRV Φ

76. Eficiencia de extracción
ηH
(ILFLHQFLD H[WHUQD 7,3 /(' YV /('
FRQYHQFLRQDO /DUJH -XQFWLRQ

77. Recombinación en gap indirecto- GaAsP
nivel N
Energía de
emisión

78. Eficiencia externa (total) η

79. Eficiencia externa (total) η

80. Perdidas al acoplar con una fibra ηF
Fibra con índice núcleo nr 1, índice ‘capa’ nr 2 (nr 1 > nr 2)
Angulo de aceptación: θ D = VLQ − (QU − QU ) = VLQ − ( $Q )
An apertura numérica
Eficiencia de acoplo: ηF = VLQ θ D

81. 9 Estructuras: LED de heterounión
Homounión Sin Polarizar
Homounión Polarización directa
Heterounión
Polarización directa
doble

82. Estructuras: LED de heterounión
unión
p
n+
Problemas con homouniones:
1. estados de superficie en capa p cerca de la unión Ÿ recomb. no radiativa
2. electrones inyectados en capa p se alejan por difusión, recombinan con
portadores mayoritarios de forma no radiativa
3. reabsorción posible
Ventajas heterounión:
1. densidad estados intercara << densidad de estados superficie
2. barrera es transparente para luz emitido (no hay reabsorción)
3. eficiencia de inyección mayor

83. Estructuras: LED de heterounión
AlxGa1-xAs AlxGa1-xAs
zona activa delgada
GaAs
1000 – 2000 ǖ
p-
con polarización
directa

84. Heterounión doble: Eficiencia de Recombinación
60 %
ηU

85. Burrus Surface Emitting diode

86. LEDs acoplados a una fibra
Fibra con final
esférico
Microlente
Lente integrado

87. LEDs acoplados a una fibra
Lente integrado

88. LED emitiendo por el borde
divergencia reducida

89. Estructuras especiales: dispersión de corriente
Contacto hace sombra, con capa extra sale mas luz

90. Estructuras especiales: sustrato transparente
(TS)

91. Estructuras especiales: pirámide invertida
total external efficiency of 55%

92. 10 Tiempos de respuesta
Tiempo de respuesta típica de un LED < 1 µs
• suficiente para pantallas
• crítico para uso en comunicación óptica
Factores que limitan:
1. Capacidad de la unión, 9L − 9H[W
causado por variación de la carga por Vext =
(tiempo RC) & Tε1$
2. Capacidad de difusión:
La carga inyectada desaparece por difusión y recombinación
Con modulación de Vext (bias) la carga tiene que desaparecer
por difusión, para adquirir nuevo equilibrio.
Ÿ tiempo de vida de portadores minoritarios es determinante

93. Tiempos de respuesta
Electrones inyectados en capa p
Densidad de electrones en exceso n disminuye por recombinación y difusión
∂Q( [ W ) ∂ Q( [ W )
= − 5 + 'H 5= Q( [ )
∂W ∂[ τ
Respuesta a una modulación Q [ W = Q [ + Q [ H[S(LωW )
3ω
Respuesta del LED: U (ω ) = =
( +ω τ ) 3
τ tiempo de vida de portadores minoritarios

94. Tiempos de respuesta / modulación
Mejor respuesta con τ pequeño, se consigue con:
1. Mayor dopaje −
τ = ( %Q )
GaAs: dopaje alto: formación de centros no-radiativos
τ = 1.4 ns
2. Dopaje bajo, zona activa pequeña, inyección alta −
τ ≅ ( % ∆Q )
J densidad de corriente de inyección
d región activa
J/de nº de recombinaciones / m3s = R
-τ § HG ·
∆Q = Ÿ τ =¨ ¸
HG © -% ¹

95. Tiempos de respuesta / modulación
Formulación alternativa:
anchura de banda : frecuencia a la cual P disminuye 3dB
Potencia de salida en
función de la modulación
MHz

96. 11 Circuitos
DC
AC I ~ 20 – 100 mA
Vdirecta 1.2 V (GaAs)
2 V (GaP)

97. Circuito para modulación

98. 12 LED en cavidad resonante (RCLED)

99. RCLED - modos en una cavidad
Solape de la emisión espontánea con modo de cavidad

100. Distributed Bragg Reflector (DBR)

101. Distributed Bragg Reflector (DBR)

102. Distributed Bragg Reflector (DBR)
Reflector aire/Plata DBR

103. RCLED vs. VCSEL
VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) tiene menos
intensidad en régimen de emisión espontánea

104. RCLED

105. RCLED espectro de emisión

106. 13 Visión humana: sensibilidad del ojo
Función de la
sensibilidad del ojo
humano V(λ)
Definición del lumen:
Luz verde (555 nm) de 1
W tiene un flujo luminoso
de 683 lm

107. Visión humana
Las funciones son similar a la sensibilidad espectral de los conos en el ojo

108. Visión humana

109. Visión humana

110. Mezclar colores

111. Visión humana y LEDs

112. 14 LEDs con luz blanca
LED de InGaN emitiendo azul con un fósforo emitiendo en amarillo
primer diseño
diseño sobre un
solo chip

113. Luz blanca con LEDs

114. LED para iluminación

115. LED para iluminación
Flujo luminoso Precio

116. 15 LEDs orgánicos (OLEDs)
Carbono con hybridización sp2
E • visible

117. LEDs orgánicos
Pequeñas moléculas orgánicas (tipo benzeno como unidad básica)
E visible
lowest unoccupied molecular orbital (LUMO)
highest occupied molecular orbital (HOMO)

118. LEDs orgánicos
Semiconductores de polímeros orgánicos, cadena 1D
conducción por ‘hopping’ de una cadena a otra

119. LEDs orgánicos
Funcionamiento de un OLED:
configuración simple: configuración para hacer coincidir
contactos de diferentes electrones y huecos
metales

120. LEDs orgánicos
Desventaja: vida útil limitada

121. LEDs orgánicos
Pantallas:
Sony
Kodak

122. Referencias
• “Optoelectronics, an introduction” J. Wilson and J. Hawkes, Prentice
Hall (1998)
• “Semiconductor Optoelectronic Devices”, Pallab Bhattacharya,
Prentice Hall (1997)
• www.lightemittingdiodes.org, by E.F. Schubert
• “Optoelectronics and photonics”, S.O. Kasap, Prentice Hall (2001)
• PN Junction Devices, S.O.Kasap,
http://materials.usask.ca/samples/PNJunctionDevices.pdf
• “Optical Electronics in Modern Communications”, Amnon Yariv,
Oxford University Press, 1997