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Ponentes: Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012

Sistema Electrónicos para Iluminación Día 4 Diodos Emisores de Luz ( LEDs ). Ponentes: Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012. MOTIVACI ÓN. Los LEDs son la Fuente de Iluminación del Futuro. MOTIVACI ÓN. Ventajas de los LEDs :

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Presentation Transcript

  1. Sistema Electrónicos para Iluminación • Día 4 • Diodos Emisores de Luz (LEDs) Ponentes: Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012

  2. MOTIVACIÓN Los LEDs son la Fuente de Iluminación del Futuro.

  3. MOTIVACIÓN • Ventajas de los LEDs: • Eficiencia (+ de 100 lm/W) • Vida Útil (100.000 horas) • Tamaño Reducido • Dimming Simple • No Rompe con Facilidad • No Utiliza Metales Pesados • Tecnología en Desarrollo

  4. SUMARIO • Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras; • Principio de Funcionamiento; • Características Eléctricas; • Características Térmicas; • Accionamiento y Control; • Aplicaciones; • Tendencias Futuras; • Conclusión.

  5. Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras • 1907 Primera Referencia sobre Electroluminiscencia Henry J. Round, Inglaterra, ElectricalWorld “que se refiere a la posibilidad de la luz ser producida por materiales semiconductores”

  6. Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras • 1927 OlegVladimirovichLosev, Trabajaba con transmisiones de radio. Observó que algunos diodos de receptores emitían luz. • Publicó el primer artículo sobre LEDs en 1927: “Luminouscarborundum [siliconcarbide] detector and detectionwithcrystals” • De 1927 a 1930 publicó 16 artículos sobre LEDs. • En 1942, a los 39 años, murió de hambre durante el bloqueo de Leningrado en la Segunda Guerra Mundial.

  7. Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras LED Azul 1990 General Electric 1962 Nick Holonyak,Jr 1952 Bardeen 1947 Transistor Bipolar

  8. Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras • LED Original – 1962 10 mCd en 655 nm con 20 mA. • Décadas de 60 y 70 Mejora en la eficiencia luminosa Nuevos Colores

  9. Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras • Década de 80 Nuevos materiales Nuevos Colores Alta intensidad GaAlAs IGaAlP Nuevas geometrías 10 x Multicapas Rojo Amarillo Naranja Verde

  10. LED azul se torna viable en 1993 Celda RGB – imágenes LED blanco introducido en 1995 Utiliza conversión de frecuencia Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras • Década de 90 LED para Iluminación se torna viable Busca competitividad con otras fuentes de luz

  11. Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras • Evolución de la Eficiencia de LEDs Blancos Fuente: SolidStateLighting – Lamps, Chips, and MaterialsforTomorrow. IEEE Circuits & Devices Magazine, 2004.

  12. Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras Fuente: SolidStateLighting – Lamps, Chips, and MaterialsforTomorrow. IEEE Circuits & Devices Magazine, 2004.

  13. Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras Fuente: SolidStateLighting – Lamps, Chips, and MaterialsforTomorrow. IEEE Circuits & Devices Magazine, 2004.

  14. Histórico, Evolución y Perspectivas Futuras

  15. Principio de Funcionamiento • FENÓMENO FÍSICO DENOMINADO INYECCIÓN LUMINISCENTE • LA EMISIÓN ESPONTÁNEA DE LUZ EN SEMICONDUCTORES ES DEBIDA A LA RECOMBINACIÓN RADIANTE DE LOS EXCESOS DE HUECOS Y ELECTRONES • EL EXCESO DE HUECOS Y ELECTRONES SE PRODUCE MEDIANTE LA INYECCIÓN DE CORRIENTE CON PEQUEÑAS PÉRDIDAS • LA FORMA MAS EFICIENTE DE ELECTROLUMINISCENCIA ES LA INYECCIÓN LUMINISCENTE • FENÓMENO DESCUBIERTO POR ROUND EN 1907: INYECTO CORRIENTE EN UNA UNIÓN DE METAL CON CARBURO DE SILICIO Y OBSERVO LUZ AMARILLA • LA INVENCIÓN DEL LED ROJO OCURRIÓ EN 1962 (HOLONYAK Y BEVACQUA) • EN LA ACTUALIDAD ES UNO DE LOS FENÓMENOS FÍSICOS MAS PROMETEDORES PARA PRODUCIR LUZ

  16. Principio de Funcionamiento • Características Generales

  17. Principio de Funcionamiento • Características Generales Recombinación y emisión de fotones

  18. Recombinaciones a través de defectos Ec h Ev Principio de Funcionamiento Ec Ev

  19. Ec h Ev Principio de Funcionamiento Recombinaciones a través de defectos Ec Ev

  20. Principio de Funcionamiento U0 – + P N – + Cátodo – + – + Ánodo – + P N U0·q Eg Eg: energía de la banda prohibida U0: tensión de la unión q: carga del electrón Zona de transición

  21. U0-U U Principio de Funcionamiento – + P N – + Cátodo – + – + Ánodo – + P N (U0-U)·q Eg Eg: energía de la banda prohibida U0: tensión de la unión q: carga del electrón Zona de transición

  22. Principio de Funcionamiento U0-U – + P N – + Cátodo – + – + Ánodo – + U P N (U0-U)·q Eg Eg: energía de la banda prohibida U0: tensión de la unión q: carga del electrón Zona de transición

  23. Principio de Funcionamiento U0-U – + P N – + Cátodo – + – + Ánodo – + U P N (U0-U)·q Eg Eg: energía de la banda prohibida U0: tensión de la unión q: carga del electrón Zona de transición

  24. Problemática de la absorción GaAs 104 103  (cm-1) 102 101 : coeficiente de absorción 10 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Energía, h (eV) Principio de Funcionamiento – + P N+ – + – + – + – +

  25. Extracción de la luz n1 n2  Principio de Funcionamiento + – P + – + – + – + –

  26. Principio de Funcionamiento • Características Generales

  27. p N p N Ec EcN Ecp EFN Egp EgN EFp Ev Evp EvN Heterouniones. LEDs de alta eficiencia Heterounión simple (SH)

  28. – + p N – + – + – + – + Ec Heterouniones. LEDs de alta eficiencia Heterounión simple (SH) p N p N EcN Ecp EFN Egp EgN EFp Ev Evp EvN

  29. – + p N – + – + – + – + Heterouniones. LEDs de alta eficiencia Heterounión simple (SH) p N p N Ec Egp EFN EFp EgN Ev

  30. AlGaAs GaAs AlGaAs 2-1,4 2eV qUo 1,4eV EF 2eV Heterouniones. LEDs de alta eficiencia Heterounión doble (DH) + – N+ p P + – + – + – + –

  31. U 2-1,4 Q(Uo-U) 2eV 1,4eV EF 2eV Heterouniones. LEDs de alta eficiencia Heterounión doble (DH) + – N+ p P + – AlGaAs GaAs AlGaAs + – + – + –

  32. U Heterouniones. LEDs de alta eficiencia Heterounión doble (DH) + – N+ p P + – AlGaAs GaAs AlGaAs + – + – + – 2-1,4 Q(Uo-U) 2eV 1,4eV 2eV

  33. U Heterouniones. LEDs de alta eficiencia Heterounión doble (DH) + – N+ p P + – AlGaAs GaAs AlGaAs + – + – + – 2-1,4 No hay reabsorción Q(Uo-U) 2eV 1,4eV 2eV El índice de refracción es menor cuanto mayor es Eg

  34. Heterouniones. LEDs de alta eficiencia • CaracterísticasGenerales

  35. Materiales III-V Binarios 2,26V (549nm) (Se añade N, 565nm)(Se añade Zn, O, 700nm) Energía de la banda prohibida (eV) Longitud de onda (m) 1,44eV(860nm) Cte. de la red cristalina (A)

  36. Materiales III-V Ternarios Sistema AlGaAs 2,17eV AlxGa1-xAs Directo x<0,43 Energía de la banda prohibida (eV) Longitud de onda (m) 1,42eV Cte. de la red cristalina (A)

  37. Materiales III-V Ternarios Sistema AlGaAs 650 nm AlAs 2,17eV 1-x 1 Energía de la banda prohibida (eV) Longitud de onda (m) AlxGa1-xAs Directo x<0,43 x 904 nm GaAs 1,42eV X es la proporción de ALUMINIO Cte. de la red cristalina (A)

  38. Correspondencia de la estructura cristalina Materiales III-V Ternarios Sistema AlGaAs 2,17eV AlxGa1-xAs Directo x<0,43 Energía de la banda prohibida (eV) Longitud de onda (m) 1,42eV Cte. de la red cristalina (A)

  39. Materiales III-V Cuaternarios Longitud de onda (nm) Energía de la banda prohibida (eV) Cte. de la red cristalina (A)

  40. Materiales más utilizados GaAs 870-900nm 10% SiC 460-470nm 0,02% Binarios 3% GaP (Zn-O) 700 nm 0,1% GaP (N) 565 nm AlxGa1-xAs (x<0,4) 640-870nm 5-20% Ternarios GaAs1-yPy (y<0,45) <1% 630-870nm GaAs1-yPy (y>0,45) <1% 560-700nm In0,49AlxGa51-xP 1-10% 560-700nm Cuat. In1-xGaxAsyP1-y 1000-1600nm >10%

  41. LED´s DE ALTA EFICIENCIA LOS RENDIMIENTO LUMINOSOS EMPIEZAN A SER ELEVADOS Y A COMPETIR CON LAS LÁMPARAS FLUORESCENTES FLUORESCENTES INCANDESCENTES LED BLANCO LUMILED 16 lm/W

  42. LED´s DE ALTA EFICIENCIA: MATERIALES ADECUADOS ALEACIONES TERNARIAS O CUATERNARIAS: MEZCLA DE Al, Ga, In EN EL CÁTODO Y MEZCLAS DE As, P, N EN EL CÁTODO SON LA BASE DE LOS LED ACTUALES h = SALTO ENERGÉTICO EN EL SEMICONDUCTOR

  43. LED´s DE ALTA EFICIENCIA: EFICIENCIAS Y COLORES

  44. LED´s DE ALTA EFICIENCIA: POSICIÓN EN EL DIAGRAMA CROMÁTICO CIE 1931

  45. LED´s DE ALTA EFICIENCIA: ESPECTROS

  46. LED AZUL DE ALTA EFICIENCIA LED VERDE DE ALTA EFICIENCIA  [nm]  [nm] 350 400 450 500 550 600 650 700 750 350 400 450 500 550 600 650 700 750 LED ROJO DE ALTA EFICIENCIA  [nm] 350 400 450 500 550 600 650 700 750

  47. LED´s DE ALTA EFICIENCIA: REGIÓN ALCANZABLE CON LA MEZCLA DE COLORES

  48. LED´s DE ALTA EFICIENCIA: LED BLANCOS BÁSICAMENTE HAY DOS FORMAS DE OBTENER LUZ BLANCA: 1.- MEZCLA DE LUZ DE DIFERENTES COLORES 2.- UTILIZAR FÓSFOROS PARA OBTENER O COMPLEMENTAR EL COLOR -CON LA LUZ AZUL OBTENER LUZ ROJA -CON LUZ UV OBTENER LUZ BLANCA (TRIFÓSFOROS) Luz Roja Luz Azul Combinación de LED de Alta Eficiencia Rojos, Verdes, Azules Fósforos

  49. Luz Roja Fósforos Luz Azul LED´s DE ALTA EFICIENCIA: LED BLANCOS MEZCLA DE LED AZUL (Al In Ga N - 465 nm) Y FÓSFORO AMARILLO (GARNET DOPADO CON CERIO) Longitud de onda [nm

  50. LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm] MEZCLA DE LED AZUL (Al In Ga N - 465 nm) Y FÓSFORO AMARILLO (GARNET DOPADO CON CERIO)

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