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OPTOELECTRÓNICA, HISTORIA, APLICACIONES Y PRINCIPIOS
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Optoelectrónica, historia, aplicaciones y principios.
Daniel Francisco Bernal Galeano (223135) [email protected]
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
2
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=
C
3 x10 8
=
=6,31 x10 14
Λ  475,5 x10−9 
Así la energía de la onda sería:
E=6,62 x10
3
−34
14
∗6,31 x10 =2,61 eV
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 Stevenson
http://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectro
nics/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/z
heludev-2007-ltl.pdf
[3] Askelad, Ciencia e Ingeniería de los materiales 3
de
[4] Light at the End of the Chip, Neil Savage
http://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectro
nics/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/n
anotechnology/organic-light-emitting-transistorcould-usher-in-new-era-for-optoelectronics
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