Los diodos emisores de luz (LED) no están hechos de silicio o germanio, que se usan comúnmente en dispositivos semiconductores, porque la naturaleza de banda prohibida directa de materiales como el arseniuro de galio (GaAs), el fosfuro de galio (GaP) u otros semiconductores compuestos es más adecuado. para una emisión de luz eficiente. Aquí hay una explicación detallada:
1. Consideraciones sobre la banda prohibida:
- Silicio y germanio: El silicio y el germanio son semiconductores de banda prohibida indirecta. En un material de banda prohibida indirecta, las reglas de conservación del momento durante las transiciones electrónicas hacen que la recombinación radiativa sea menos probable. Esto da como resultado una emisión de luz ineficiente y hace que estos materiales sean menos adecuados para aplicaciones LED.
- Semiconductores compuestos: los semiconductores compuestos como GaAs y GaP tienen bandas prohibidas directas, lo que significa que las reglas de conservación del impulso favorecen la recombinación radiativa. Esta propiedad permite una conversión más eficiente de la energía eléctrica en luz, lo que los hace ideales para aplicaciones LED.
2. Brecha energética y longitud de onda:
- Silicio y germanio: el silicio tiene una banda prohibida indirecta de aproximadamente 1,1 eV, mientras que el germanio tiene una banda prohibida indirecta de aproximadamente 0,66 eV. La brecha energética para una emisión eficiente de luz visible suele ser mayor y la longitud de onda de la luz emitida por el silicio o el germanio bajo excitación eléctrica está en el rango infrarrojo.
- Semiconductores compuestos: Los semiconductores compuestos a base de galio tienen bandas prohibidas en el rango adecuado para la emisión de luz visible. Por ejemplo, GaAs tiene una banda prohibida de alrededor de 1,4 eV, lo que le permite emitir luz en el rango rojo y del infrarrojo cercano. Al incorporar diferentes materiales y aleaciones, se pueden lograr LED con varias longitudes de onda de emisión.
3. Eficiencia y Brillo:
- Silicio y germanio: La baja probabilidad de recombinación radiativa en materiales de banda prohibida indirecta conduce a una menor eficiencia y brillo del LED. El silicio y el germanio se utilizan más comúnmente en electrónica como semiconductores para transistores y otros dispositivos, donde la emisión de luz no es una consideración principal.
- Semiconductores compuestos: los semiconductores compuestos ofrecen mayor eficiencia y brillo, lo que los hace muy adecuados para aplicaciones LED. Se utilizan ampliamente en diversos colores y aplicaciones, desde iluminación hasta tecnologías de visualización.
4. Compatibilidad de materiales:
- Silicio: El silicio es el material dominante en la industria de los semiconductores debido a su abundancia y a sus técnicas de procesamiento bien establecidas. Sin embargo, para los LED, donde la emisión de luz eficiente es crucial, se prefieren otros materiales.
- Compuestos a base de galio: los semiconductores compuestos a base de galio ofrecen un buen compromiso entre las propiedades del material, las capacidades de procesamiento y la emisión de luz eficiente, lo que los hace adecuados para la fabricación de LED.
5. Rango de longitud de onda:
- Silicio y germanio: El silicio y el germanio se utilizan habitualmente para componentes electrónicos y sus propiedades ópticas se aprovechan en fotodetectores y células solares. Sin embargo, su naturaleza de banda prohibida indirecta limita su idoneidad para aplicaciones LED dirigidas al rango de luz visible.
- Semiconductores compuestos: los semiconductores compuestos están diseñados para cubrir una amplia gama de longitudes de onda, lo que permite la producción de LED que abarcan todo el espectro visible.
En conclusión, la elección de los materiales en la fabricación de LED está guiada por la necesidad de una emisión de luz eficiente en el espectro visible. Si bien el silicio y el germanio son valiosos para aplicaciones electrónicas, los semiconductores compuestos, como los materiales a base de galio, se prefieren para los LED debido a su naturaleza de banda prohibida directa y su compatibilidad para lograr una emisión eficiente de luz visible.
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