Un Nobel pintado de Azul

Hoy se han concedido los premios Nobel de 2014. Los galardonados son Isamo Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura.

Estos señores han revolucionado nuestras vidas de una manera silenciosa, introduciendo la posibilidad de tener LEDs que emiten en el azul y, como consecuencia, poder emitir en el blanco como será explicado.

Esto es fundamental para tener verdaderas fuentes luminosas de bajo consumo.  La importancia tecnológica y económica de su trabajo es innegable y hay muchas páginas que se van a dedicar a ello, por poner un ejemplo la temprana entrada de Francis en Naukas:  Nobel de Física 2014.

Aquí voy a intentar explicar en qué consiste el trabajo que ha sido merecedor del premio este año.

Cuestiones sólidas

Como es bien sabido la materia que nos compone está formada por átomos. Los átomos están formados por electrones que orbitan alrededor de un núcleo compuesto por protones y neutrones. Una de las características importantes de un átomo es la energía que puede tener un electrón en el mismo.  La mecánica cuántica nos enseña que dicha energía no puede valer cualquier cosa sino que solo hay un conjunto discreto de valores permitidos, esto nos obliga a hablar de niveles de energía atómicos.

Cada átomo tiene unos niveles distintos lo que convierte a estos niveles en la firma personal del átomo en cuestión.  Además, para que un electrón pueda pasar de un nivel inferior de energía a otro superior tienen que absorber energía en forma de fotón con un valor exactamente igual a la diferencia de energía de niveles.  Si el paso es de un nivel superior a otro inferior el electrón en el proceso emite un fotón que porta justo la energía del salto que separa ambos niveles. Podéis repasar el tema de los niveles atómicos de energía en esta entrada:  Niveles de energía atómicos.

Para simplificar las cosas juguemos con un átomo que tiene unos niveles de energía genéricos que he representado así:

Ahora supongamos que este átomo se junta con otros como él y forma un sólido.  En los sólidos los átomos están en posiciones fijas, en realidad están oscilando alrededor de posiciones de equilibrio, formando lo que se conoce como una red cristalina.  Nosotros lo vamos a ejemplificar en la siguiente figura muy simplificada:

Esta estructura, repetida una y otra vez, genera el sólido.  Ahora bien, cada átomo aporta sus niveles energéticos:

Podría parecer que la historia se acaba ahí, pero la cuántica nos da una sorpresa (como de costumbre) y nos dice que el hecho de que los átomos estén conformando una red cristalina modifica sus niveles de energía.  Los funde, los amasa y se generan no ya niveles discretos donde los electrones de un átomo pueden estar sino bandas de energía en los que los electrones se pueden disponer.

Es decir, en una estructura cristalina los electrones ya no pertenecen a un átomo concreto sino que se distribuyen por toda la red.  Sus energías ya no se distribuyen en niveles discretos sino en bandas energéticas continuas:

En realidad aparecen dos bandas.

1. Banda de Valencia.
2. Banda de Conducción.

Los electrones en la banda de conducción son los responsables de la conducción de la corriente eléctrica al someter al sólido en cuestión a una diferencia de potencial.

Pero la cosa no acaba aquí, dependiendo de los átomos que conformen la red cristalina podemos tener diferentes situaciones en lo relativo a la distancia, en energía, entre la banda de valencia y la banda de conducción.

Los materiales se clasifican en función de la capacidad de conducir la electricidad, movimiento de electrones en la banda de conducción, en los siguientes tipo:

• Material aislante —  El salto de la banda de valencia a la banda de conducción es tan grande que no se pueden llevar electrones de la una a la otra.
• Material conductor  —  En estos materiales la banda de valencia y la de conducción se superponen en mayor o menor grado.  Esto hace que se pueda dar la conducción eléctrica con relativa facilidad.
• Material semiconductor —  El salto de la banda de valencia a la de conducción es más reducido.  Se pueden excitar electrones para que salten de la banda inferior a la superior y así se consigue que el material pueda conducir la electricidad.  Los materiales semiconductores pueden comportarse como aislantes o conductores dependiendo de múltiples factores, intensidad de campos eléctricos externos, diferencias de temperatura, etc.  Todos estos factores favorecen o impiden el salto de electrones de la banda de valencia a la de conducción produciendo por lo tanto el cambio en el comportamiento del material respecto a la conductividad eléctrica.

Los que nos interesan aquí son los materiales semiconductores. Sin duda el hallazgo de los semiconductores propició toda la revolución tecnológica que estamos viviendo.  Gracias a estos materiales se pudo hacer realidad la microelectrónica, los transistores, etc.

Una cuestión importante es que uno puede manipular la capacidad de conducción de un semiconductor puro, formado por un solo átomo, dopando al semiconductor.  Esto no es más que introducir átomos diferentes de los que originalmente conforman la red, lo que se denomina impurezas.  Estas impurezas, los átomos nuevos insertados en la red, consiguen dos cosas:

a)  Distorsionan la red.

b)  Cambian las bandas electrónicas de la estructura cristalina.

Hay dos formas de dopar un semiconductor con impurezas, lo que da lugar a semiconductores de tipo p y semiconductores de tipo n.

En los semiconductores de tipo p, los átomos extraños introducidos en la red absorben electrones de la banda de valencia. Esto produce un mayor número de electrones en la banda de conducción y dejan déficit de electrones en la banda de valencia.  Este déficit de electrones se denomina huecos, y literalmente se comportan como partículas cargadas positivamente (son ausencia de electrones en sitios donde deberían de estar).

En los semiconductores de tipo n pasa lo contrario, los átomos extraños introducidos liberan electrones a la capa de conducción y dejan huecos en la capa de valencia.

Resumiendo:

En los semiconductores de tipo p abundan los huecos, los semiconductores de tipo n abundan los electrones.

Corrección:

En lo anterior se ha simplificado tanto la discusión de semiconductores de tipo p y n que he incurrido en algún error.  Gracias al amigo Jerus que en los comentarios nos ha dejado lo siguiente que es mucho más correcto:

Los semiconductores tipo P, lo que hacen es crear estados dentro del gap cerca de la banda de valencia (del orden de meV). Esta pequeña diferencia de energía hace que estos átomos dopantes se ionicen fácilmente (en este caso, captura un electrón) dejando tantos huecos en la banda de valencia como átomos dopantes ionizados (que en la práctica son todos), estos huecos son portadores en esta banda de energía, por lo tanto pueden crear una corriente eléctrica. Pero lo que no es correcto es decir que la introducción de estos átomos produzca un incremento en la banda de conducción, de hecho, sucede lo contrario. La densidad de portadores en la banda de conducción en un semiconductor tipo P es menor que en un semiconductor intrínseco. De la misma forma se puede seguir un razonamiento similar para semiconductores tipo N.

Diculpad  por mi error pero no sabía por donde cortar la explicación.  En mi descargo diré que en mi cabeza no tenía números absolutos de electrones y huecos sino densidad relativa de los mismos y entonces la explicación dada es totalmente correcta. 

Los LEDs

En los LEDs  (Light Emitting Diode – Diodo emisor de luz) ocurre un hecho curioso.  Estos dispositivos se construyen juntando un semiconductor tipo p y un semiconductor tipo n.  Se los somete a una diferencia de potencial, (se les conecta a una pila) y entonces empieza un movimiento de electrones (cargados negativamente) hacia el polo positivo y de huecos (cargados positivamente) hacia el polo negativo.

Resulta que en la superfice interfase, entre el tipo p y el tipo n, se cruzan huecos con electrones.  Algunos electrones se combinan con los huecos, saltan de la banda de conducción a la de valencia, y por lo tanto emiten luz.

Estos dispositivos tienen una alta eficiencia lumínica. Con poca diferencia de  potencial aplicada se consigue un alto rendimiento en luz producida.

¿Por qué el Nobel?

El tipo de luz que un LED puede producir depende de la diferencia de energía que separen a la banda de conducción de la de valencia.

Se habían conseguido materiales semiconductores que proporcionaban saltos que producían luz verde y luz roja.  Pero se tardó más de 20 años en conseguir un material adecuado y con una implementación tecnológica óptima que produjera LEDs azules.  El trabajo de los galardonados este año se basó justamente en conseguir este objetivo, LEDs emitiendo en el azul.

Una vez que se tienen LEDs azules es posible construir otros que emitan en el blanco.  Esto supone que podemos utilizar estos dispositivos en cosas tales como faros de coches molones.  Además su eficiencia y su bajo requerimiento energético los hacen ideales para el ahorro en energía utilizada en iluminación.

Puede que no te haya parecido un tema espectacular merecedor de un Nobel pero tiene mucha física detrás y mucho interés económico y medioambiental.

Para más datos sobre otros aspectos del premio os vuelvo a remitir a la entrada de Francis:  Nobel de Física 2014

Nos seguimos leyendo…