¿Por qué el LED azul merece un Premio Nobel en Física y el LED verde no?

Está por todo internet, todo el mundo quiere hacerse eco de quiénes son los ganadores del Nobel en cada disciplina. Ayer mismo supimos los ganadores del premio Nobel de Física: los 3 responsables del primer LED azul eficiente, contruído hace 20 años. Un premio poco común si pensamos que ni el creador del primer LED ni el del primer LED azul tienen tal premio. ¿Por qué ahora? ¿Por qué solo a estos?

La primera pregunta es fácil de contestar: porque ya era hora. Hace años que los LEDs invaden nuestra vida. Desde las pantallas de los smartphones, tablets, ordenadores, TVs… pasando por los coches hasta llegar a las bombillas de casa. La aceptación del LED es tal que ya hay ciudades cambiando sus farolas a esta tecnología. Y me permito añadir que mucho tarda esta transición, cuando los LEDs son más duraderos, baratos, pequeños y eficientes con hasta 300lumen/Watio frente a los 70 de los fluerescentes y 16 de las bombillas tradicionales.

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La segunda pregunta, sin embargo, es bastante más compleja de responder y atiende a razones históricas, casi 30 años de diferencia entre el LED verde y el azul; y a razones físicas, es muy complicado de construir y tiene unas propiedades únicas que no comparte con otros LEDs. Para entender estas razones (especialmente la última) es necesario entrar en teoría cuántica de semiconductores, pero vamos a intentar hacerlo sencillo para que todos nos entendamos (prometo que lo conseguiremos).

La física del los LEDs

Vamos a empezar por lo más interesante y complejo: entender un LED. Un LED es una unión de dos semiconductores tipo p-n. El tipo de semiconductor nos dice si los portadores de corriente serán negativos (electrones) o positivos (huecos sin electrón). Es importante entender que un hueco en el que falta un electrón se comporta como un electrón con carga positiva, aunque realmente no haya nada ahí.

Lo interesante de estas uniones es que forman diodos que solo dejan pasar la señal en una dirección. Esto permite que conviertan una señal alterna en contínua, por ejemplo. Los LEDs son unos diodos especiales que emiten luz cuando pasa corriente en la dirección permitida. Esta emisión de luz se produce por un salto de los electrones entre niveles de energía y deben cumplirse unas propiedas para que exista y podamos ver esa luz.

En concreto tienen que cumplirse dos condiciones sencillas, la primera de las cuales es que el mínimo de un nivel de energía se encuentre justo encima del máximo del nivel anterior. En la imagen vemos este efecto en el esquema de niveles. Estos semiconductores se llaman de “gap directo” (gap es la diferencia de energías) por razones que os imagináis.

La segunda condición es que el gap de energía entre un nivel y otro sea tal que el fotón resultante se emita tenga una frecuencia en el rango visible. Lo que dicho en cristiano significa que tenemos que hacer el gap del tamaño justo para poder ver la luz y que no sea infrarroja (gap pequeño) o ultravioleta (gap grande). Modificando el tamaño del gap podemos variar el color desde el rojo hasta el azul pasando por todos los del arcoiris.

Y justo aquí, al final, llega el problema. Si aumentamos mucho el gap (por encima del color verde) es más fácil perder las propiedades de semiconductor y pasar a un aislante convencional como el cuarzo o el vidrio. Aquí es donde reside la dificultad de conseguir un LED azul: aumentar el gap lo suficiente manteniendo un semiconductor. Como veremos a continuación esto no es sencillo y costó mucho tiempo y dinero conseguirlo de una forma viable para la producción masiva.

Historia del LED azul

Ahora que ya sabemos dónde reside la dificultad de conseguir un LED azul veamos cómo fue la evolución histórica de este hito. Empezaremos con el primer LED, con emisión en rojo, que fue construido en 1962. Aunque ya antes se habían observado fenómenos similares en el infrarrojo. Desde entonces se mantuvo una carrera por conseguir el resto de colores. A pesar de tenerse los diseños desde los años 50 el LED azul aún se haría esperar varias décadas.

Entorno a 1970 la mejora en las técnicas de crecimiento de cristales permitió un gran avance en el desarrollo de nuestros queridos LEDs azules. En principio se intentaron basar en GaN (Nitruro de Galio) pero pronto se vio que esa técnica no conseguía una luminosidad suficiente. Es aquí donde podemos establecer la creación del primer LED azul, aunque no era usable y apenas se veía su luz.

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Para los más exigentes podemos establecer 1989 como la fecha en que se consiguió el primer LED azul con una emisión razonablemente alta, aunque su eficiencia era del 0.03% Una vez más parecía que el LED azul no era viable para la producción masiva; hasta que en 1994 nuestros laureados obtuvieron por primera vez un LED azul de “alta” eficiencia utilizando técnicas modernas. Como semiconductor usaron InGaN/AlGaN y obtuvieron eficiencia alrededor de 2.7% (comparable al 4% de las bombillas incandescentes).

A día de hoy los LEDs corrientes que podemos comprar en cualquier tienda, muy baratos, tienen una eficiencia superior al 50% y presentan la mejor fuente de luz artificial que conocemos. El LED azul eficiente (muy importante esta última palabra) ha permitido, en primer lugar, completar las matrices RGB que usan hoy todas las pancartas LED del mundo así como obtener LEDs blancos.

Sí, blancos, no os había hablado de ellos porque me lo guardaba para el final. El LED blanco funciona como los fluorescentes de casa, pero mejor. Tenemos que bombardear con luz de alta energía (azul, ultravioleta…) un fosfato de tal forma que su reacción sea emitir luz en todo el espectro visible, dando lugar al color blanco. No es así como se hace el blanco en la pantalla de tu móvil (se enciende un pixel verde otro rojo y otro azul), pero sí es la forma de conseguir bombillas caseras o de iluminación de calles.

En resumen, y ya termino la chapa, los galardonados este año son más que merecidos ganadores del premio Nobel pues han permitido una revolución tecnológica equiparable a la del PC. En un primer momento puede parecer una elección frívola y sin fundamento, pero a mi juicio ya era hora de que lo obtuvieran. ¿Vosotros que pensáis? ¿Estáis de acuerdo o creéis que ha sido una decisión “porque no había nada mejor”? Como siempre, los comentarios son vuestros.