OPTOELECTRÓNICA, HISTORIA, APLICACIONES Y PRINCIPIOS

Optoelectrónica, historia, aplicaciones y principios.

Daniel Francisco Bernal Galeano (223135) dafbernalga@unal.edu.co

Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogotá

A mediados del siglo antepasado se consiguió que la primera bombilla que utilizaba energía eléctrica se encendiese por primera vez, desde ese momento surgió una revolución que iluminó al mundo, el uso de la energía eléctrica se extendió a las calles y casas y dejo de ser uso exclusivo de la industria, mas de 100 años después irónicamente aún es común el uso de bombillas que se basan en el mismo principio que utilizó la primera bombilla para encenderse, a pesar de ser potentes y luminosas estas bombillas despilfarran gran parte de la energía en calor pues su funcionamiento depende de ello, pero a mediados del siglo pasado se comenzó el estudio en un campo que así como la luz revolucionó al mundo hace mas de un siglo promete grandes cambios en la forma como nos comunicamos, almacenamos información, iluminamos nuestros hogares e innumerables aplicaciones en la industria, la optoelectrónica es un campo que cada vez más toma más fuerza, dado que se basa en propiedades físicas de los materiales para producir luz con poca energía, este artículo recopila parte de su historia y pretende mostrar de forma general el principio de funcionamiento básico de buena parte de los dispositivos optoelectrónicos que se utilizan comúnmente hoy en día.

Índice de Términos—. Semiconductor, Pozo cuántico, espectro electromagnético

INTRODUCCIÓN

El progreso tecnológico en comunicaciones de los últimos años no solo se ha dado gracias a la capacidad de manipular ondas de baja frecuencia como son las ondas de radio a pesar de su importancia, aún es costoso enviar ondas de radio a largas distancias, parte importante de los sistemas de comunicación hoy en día es la capacidad de comunicarse de continente a continente a la velocidad de la luz y a bajo costo usando fibra óptica, los avances en láser utilizados para cortar materiales, o incluso cuando revisamos la hora en nuestros celulares ultra delgados pero que al mismo tiempo producen colores nítidos y brillantes en su pantalla son pocos ejemplos de los avances en optoelectrónica un campo que a pesar de que no es el único que sobresale en la actualidad si cubre parte importante de las investigaciones, pero ¿qué es la optoelectrónica?, podríamos definirla como el campo encargado del estudio de la relación entre la electrónica y la óptica, dado que en los últimos años se han hecho evidentes las aplicaciones de este campo podríamos pensar que es nuevo, sin embargo los primeros pasos en esta tecnología se dieron en el año de 1907 [1] cuando Henry Joseph Round notó que irradiaba luz amarilla del carburo de silicio que usaba en sus experimentos, posteriormente en 1942 [2] un joven ruso llamado Oleg Vladimirovich hacía

investigaciones sobre la electrónica del estado solido, él había observado emisión de luz de un diodo semiconductor utilizado en receptores de radio y realizó una buena cantidad de publicaciones al respecto, el legado de Oleg no fue olvidado y en 1962 [2] cuatro grupos diferentes de investigación en los Estados Unidos que involucraban integrantes del MIT, IBM y los laboratorios General Electric reportaron casi al mismo tiempo la aplicación de semiconductores en la elaboración de láser, desde estos días se han realizado innumerables aportes a la optoelectrónica, como lo son el desarrollo del diodo emisor de luz LED que es mucho más eficiente que una bombilla incandescente, esto le da el potencial de ser utilizado en dispositivos portátiles que necesitan bajo consumo de energía y tamaños compactos, sus utilidades no se quedan ahí también se usan como láser para leer Cds y Dvds, [1] últimamente se están haciendo investigaciones para reemplazar las derrochadoras bombillas incandescentes por diodos emisores de luz.

EL PRINCIPIO

Para entender el principio de funcionamiento de un dispositivo optoelectrónico es necesario primero entender la física de semiconductores, que a diferencia de un conductor real donde la corriente

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solo depende de las cargas negativas en movimiento, estos pueden transportar corriente moviendo cargas positivas; sin embargo estas cargas positivas no corresponden a protones sino a “huecos” dejados por electrones en el material, los semiconductores poseen algo que podemos llamar bandas de conducción, dado que un semiconductor es un cristal que particularmente se hace crecer como un mono-cristal es decir un solo cristal que se extiende de la misma forma y que tiene enlaces covalentes entre sus átomos, no podríamos considerarlo de la misma forma que un metal que posee enlaces metálicos donde los núcleos se encuentran unidos por un mar de electrones que pueden fluir libremente dependiendo de las condiciones de temperatura y defectos en el cristal, (así como otros aspectos relacionados con la geometría del material), en un semiconductor los electrones que primero se van a mover, son los de mayor energía, la zona en donde se encuentran estos electrones es llamada banda de conducción el número de electrones en esta banda se encuentra relacionado con la temperatura del material. Como los enlaces son covalentes se necesita de mayor energía para “desasociar” otro electrón de su átomo, la diferencia de energía que se necesita es llamada brecha de energía la cual “separa” los electrones libres en la banda de conducción de los que no poseen la suficiente energía, sin embargo dado que existen electrones libres, quedan huecos sin llenar en los átomos, estos huecos se pueden mover gracias a que es posible intercambiar electrones de valencia entre átomo y átomo, el nombre dado a esta zona es banda de valencia, podemos observar la relación de las tres bandas en el siguiente diagrama: (Figura 1.)

Figura 1. Esquema Bandas en un semiconductor [3] Tomado de Askeland Ciencia e ingeniería de materiales

La mayor parte de los semiconductores utilizados en aplicaciones no son cristales puros, se les agregan impurezas para que el número de huecos y el número de electrones difiera, por ejemplo un semiconductor de silicio con impurezas de antimonio que tiene valencia de cinco tendrá un electrón de más, libre en la banda de conducción pues el silicio es de valencia cuatro, este tipo de semiconductor es llamado tipo n dado que tiene facilidad para transportar cargas negativas, si existiese un hueco de más por ejemplo cuando se introducen impurezas de un átomo de valencia tres se llama semiconductor tipo p dado que es más propenso a aceptar un electrón que a entregarlo, en otras palabras tiene más facilidad para transportar cargas positivas, en los dispositivos optoelectrónicos como los diodos emisores de luz se tiene un semiconductor tipo p y uno tipo n, el principio de funcionamiento es muy parecido al de un diodo común; cuando tenemos una estructura formada como se muestra en la Figura 2. y aplicamos una diferencia de potencial en los extremos, positivo en el semiconductor tipo p y negativo en el semiconductor tipo n, basados en la ley de Coulomb sabemos que cargas iguales se repelen por tanto, los electrones en exceso del lado n tenderán a juntarse con los huecos en exceso del lado p, esto permite que la brecha se rompa y exista poca resistencia al paso de la corriente, pero si nos concentramos en la región de unión vemos que electrones que estaban en una banda de conducción están pasando a la banda de valencia lo cual indica que existe una perdida de energía, ¿a donde va esa energía? , dado que no puede disiparse de otra forma, escapa en forma de fotones. Actualmente se construyen capas de material semiconductor muy delgadas en la región de unión de los dos tipos de semiconductores, que forman un “pozo cuántico” que maximiza la posibilidad que se recombinen cargas, como vemos esta configuración también permite al led hacer la función de un diodo pues si se aplica una tensión contraria a la descrita anteriormente en el lado p las cargas positivas de los huecos van a ser atraídas por el potencial positivo y en el lado n serán atraídas por el potencial negativo aumentando la brecha que existía entre los dos materiales y haciendo que la resistencia aumente súbitamente, vale la pena aclarar que este principio no solo es utilizado en diodos emisores de luz, pero se enfatiza el

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funcionamiento en los mismos pues actualmente sus aplicaciones varían desde un simple indicador, pasando por pantallas retro iluminadas, hasta láser de baja y mediana potencia.

Figura 2. Estructura de un diodo semiconductor

Para variar el color que emite el led se varían los materiales usados en su construcción por ejemplo para el color azul y verde se utiliza nitrito de galio; para los colores rojo, anaranjado y amarillo se usa arseniuro de galio, basados en el color que emiten podríamos apenas semi-cuantitativamente observar cuanta energía se desprende en forma de luz en un Led, utilizando la Tabla 1.

Tabla 1. Espectro visible.Tomado de http://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_electromagn%C3%A9tico

E=hf Ecuación 1.

Deberemos usar la Ley de Planck Ecuación 1. para determinar la energía que porta determinada longitud de onda, si por ejemplo elegimos el color azul tendríamos que:

F=CΛ=

3 x108

475,5 x10−9 =6,31 x1014

Así la energía de la onda sería:

E=6,62 x10−34∗6,31 x1014=2,61eV

Dado que esta energía es diferente dependiendo de la longitud de onda podemos intuir que el consumo de energía de un dispositivo optoelectrónico dependerá en parte de la longitud de onda que produzca, como dato interesante podemos añadir que la luz blanca no se ha obtenido gracias a combinaciones de diferentes materiales, los diodos emisores de luz blanca en realidad producen luz azul y utilizan un filtro que absorbe la luz azul e irradia luz amarilla, de esta forma la combinación de estas longitudes de onda produce luz blanca.

Sin embargo a pesar de ser uno de los mas importantes logros de la optoelectrónica el diodo emisor de luz no es el único, actualmente [4] IBM está desarrollando una forma de comunicar microprocesadores y dispositivos electrónicos mediante foto-detectores, la idea es reemplazar las conexiones de cobre que dentro de poco dejarán de ser útiles pues la industria avanza tan rápido que pronto los conectores de cobre no podrán transportar la cantidad de información que el microprocesador es capaz de procesar.

Más recientemente se ha desarrollado una forma de realizar el mismo proceso antes descrito utilizando materiales orgánicos [5], se usan largas cadenas de compuestos orgánicos que tienen el mismo comportamiento que los semiconductores, esta tecnología además permite que se emita más luz de la que un diodo emisor de luz normal puede producir, otra ventaja es que puede fabricarse de forma plana, esto le da amplia acogida en el campo de la electrónica portátil.

CONCLUSIONES

La optoelectrónica es un área que ha impulsado en gran parte el desarrollo de la ciencia y la tecnología, facilita en muchos aspectos la aplicación en la industria y permite obtener mayor eficiencia, característica que es de especial importancia hoy en día donde derrochar energía no es una opción, a pesar de que la mayoría de dispositivos se basa en el mismo principio, la parte sobresaliente es la cantidad de aplicaciones que se le pueden dar.

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Referencias[1] “The LED's Dark Secret”, Richard Stevensonhttp://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/the-leds-dark-secret/

[2] The life and times of the LED – a 100 years history, Nikolay Zheludev http://www.nanophotonics.org.uk/niz/publications/zheludev-2007-ltl.pdf

[3] Askelad, Ciencia e Ingeniería de los materiales 3 de

[4] Light at the End of the Chip, Neil Savagehttp://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/light-at-the-end-of-the-chip

[5] Organic Light Emitting Transistor Could Usher in New Era for Optoelectronics http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/organic-light-emitting-transistor-could-usher-in-new-era-for-optoelectronics

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