7.2: Dispositivos que implican emisión espontánea
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La emisión espontánea ocurre en muchos productos de consumo disponibles comercialmente. En esta sección se analizan tres categorías de dispositivos que convierten la electricidad en luz por emisión espontánea: lámparas incandescentes, lámparas de descarga de gas y LEDs.
Lámparas incandescentes
Una lámpara incandescente es un dispositivo que convierte la electricidad en luz por radiación de cuerpo negro. Estos dispositivos se construyen típicamente a partir de un filamento de metal sólido dentro de un tubo de vacío con paredes de vidrio. Una corriente pasa a través del filamento que lo calienta a una temperatura de miles de grados. Se utilizan altas temperaturas porque la respuesta espectral visible de la luz del día es cercana a la respuesta espectral visible de un radiador de cuerpo negro a una temperatura de 6500 K [87]. La principal limitación de las lámparas incandescentes es su eficiencia. Gran parte de la radiación electromagnética emitida por un radiador de cuerpo negro cae fuera del rango visible.
La principal ventaja de las lámparas incandescentes sobre otras tecnologías es su simplicidad. Por esta razón, las lámparas incandescentes fueron algunas de las primeras lámparas desarrolladas. Humphry Davy demostró que la radiación de cuerpo negro podría usarse para producir luz visible en 1802, y prácticas lámparas incandescentes datan de la década de 1850 [88]. Para desarrollar estas prácticas lámparas incandescentes, se tuvo que desarrollar tecnología de bombeo al vacío, y se requirió tecnología para purificar el metal utilizado para fabricar los filamentos de las lámparas [88].
De alguna manera, una lámpara incandescente es similar a una antena. En ambos casos, la entrada toma la forma de electricidad, y esta energía eléctrica se convierte en energía electromagnética al pasar a través de un cable conductor. En una antena, la entrada varía en el tiempo para codificar información, y la salida es a frecuencias de radio o microondas. Sin embargo, en una lámpara incandescente, la entrada es típicamente CA y no contiene información. La salida deseada de una lámpara incandescente es la luz visible, pero también produce calor y radiación electromagnética a frecuencias infrarrojas y a otras frecuencias no visibles. Adicionalmente, las antenas se diseñan típicamente para operar a una longitud de onda cercana a la longitud de la antena, y tales antenas pueden producir ondas con patrones específicos de polarización electromagnética y radiación. La emisión espontánea en lámparas incandescentes, sin embargo, es necesariamente inpolarizada e incoherente.
Lámparas de Descarga de Gas
Una descarga de gas ocurre cuando se forma una trayectoria conductora a través de un plasma, un gas ionizado [89]. Los dispositivos de descarga de gas convierten la electricidad en luz por emisión espontánea cuando se forma este tipo de trayectoria conductora. En 1802 además de demostrar la radiación de cuerpo negro y proponer la idea de una pila de combustible, Humphry Davy demostró un dispositivo de descarga de gas [3, p. 222] [88]. W. Petrov demostró una descarga de gas aproximadamente al mismo tiempo [88]. Una de las primeras lámparas prácticas de descarga de gas, una lámpara de arco de carbono, fue construida por Leon Foucoult en 1850, y se utilizó para iluminación de teatro [88]. El desarrollo de lámparas de descarga de gas requirió la capacidad de purificar gases además del desarrollo de la tecnología de bombeo al vacío [88]. Ejemplos de dispositivos de descarga de gas en uso hoy en día incluyen lámparas de vapor de sodio, lámparas de arco de mercurio, lámparas fluorescentes y letreros publicitarios de neón [89].
Una lámpara de descarga de gas está hecha de un tubo sellado que contiene dos electrodos y se llena con un gas. El tubo de vidrio contiene el gas, mantiene la presión del gas y mantiene alejadas las impurezas. La presión del gas dentro del tubo puede variar de\(10^{-4} Pa\) a\(10^5 Pa\) para diferentes lámparas [87, p. 206]. El espaciamiento típico de los electrodos es del orden de centímetros [87]. Algunas bombillas de neón tienen un espaciado entre electrodos de 1 mm, mientras que muchos tubos fluorescentes tienen un espaciamiento de electrodos de más de 1 m. Se aplican cientos a millones de voltios a través de los electrodos [89]. Los transformadores se utilizan para lograr estos niveles de alto voltaje. El voltaje entre los electrodos ioniza el gas dentro del tubo y proporciona un suministro de electrones libres que viajan a lo largo de la trayectoria conductora entre los electrodos [89]. El gas puede ser ionizado, y los electrones suministrados, por otros métodos como reacciones químicas, un campo eléctrico estático, o un campo óptico en su lugar [87, Ch. 5]. Los electrones también pueden ser suministrados al gas por emisión termiónica, hirviendo electrones fuera del cátodo.
Las propiedades ópticas de la lámpara están determinadas por el gas dentro del tubo. La energía suministrada por el campo eléctrico a través de los electrodos, u otros medios, excita los electrones de los átomos de gas a niveles de energía más altos. La emisión espontánea ocurre entre distintos niveles de energía permitidos solamente, por lo que la emisión ocurre en rangos de longitud de onda relativamente estrechos. Los gases se eligen para permitir transiciones de nivel de energía en el rango de longitud de onda deseado. Los gases típicos utilizados incluyen helio, neón, sodio y mercurio [87, p. 514].
Las lámparas de descarga de gas se clasifican como dispositivos de descarga luminiscente o dispositivos de descarga de arco. La figura\(\PageIndex{1}\) muestra una gráfica de ejemplo de la corriente entre electrodos en función del voltaje. Como se muestra en la figura, la corrientevoltaje característico de un tubo de descarga de gas es bastante no lineal. Sin embargo, puede dividirse en tres regiones generales, denotadas la región oscura, la región resplandeciente y la región del arco. Las regiones se distinguen por un cambio en la pendiente de la gráfica corriente-voltaje. Esta cifra se utiliza con permiso de [89] que proporciona más detalles sobre la física de las descargas de gas.
La región oscura de operación corresponde a corrientes y voltajes bajos, y se dice que los dispositivos que operan en esta región tienen una descarga oscura o Townsend. Las emisiones ópticas de los dispositivos que operan en esta región no son autosustentables. Mientras que los átomos del gas pueden ionizarse y colisionar con otros átomos, no se produce ninguna reacción en cadena de ionización. La transición entre las descargas de oscuridad y resplandor se llama chispa [87, p. 160]. En la Fig. \(\PageIndex{1}\), VS es el voltaje chispeante. La segunda región, correspondiente a corrientes más altas, se llama región luminiscente, y esta región se denomina autosustentante porque los iones colisionan e ionizan átomos de gas adicionales produciendo más electrones libres en un proceso de avalancha. La emisión espontánea significativa ocurre en la región de descarga luminiscente [87] [89]. La tercera región, correspondiente a una corriente aún mayor, se denomina región de arco. Las descargas de arco también son autosostenibles [87, p. 290], y se produce emisión espontánea. Una vez establecida la descarga de arco, se requieren voltajes relativamente bajos para mantenerla en comparación con los voltajes necesarios para mantener la descarga incandescente.
Las lámparas fluorescentes son un tipo de dispositivo de descarga de gas que implica el uso de productos químicos con las propiedades ópticas deseadas, llamados fósforos [87, p. 542]. El voltaje de gas y electrodo utilizado en las lámparas fluorescentes se elige para que la emisión espontánea producida sea a frecuencias ultravioletas. Estos fotones UV pueden ser producidos por arco o descarga luminiscente. Los fotones UV producidos son absorbidos por las moléculas de fósforo, y las moléculas de fósforo emiten luz a frecuencias más bajas. Ejemplos de fósforos utilizados incluyen silicato de zinc, tungstato de calcio y sulfuro de zinc [87, p. 542].
LEDs
Los LEDs son dispositivos que convierten la electricidad en luz por emisión espontánea. Están hechos de uniones pn en semiconductores. Las uniones Pn se discutieron en la Sección 6.5. Cuando se aplica una polarización directa a través de una unión pn, se inyectan electrones y agujeros en la unión. La energía de la fuente de alimentación excita electrones de la valencia a las bandas de conducción. Estos electrones excitados pueden fluir a través del material mucho más fácilmente que los electrones no excitados. Algunos de los electrones y agujeros cercanos a la unión se combinan y emiten fotones espontáneamente en el proceso. Algunos LEDs tienen una fina capa intrínseca, sin dopar, entre las capas de tipo p y tipo n en la unión para mejorar la eficiencia.
Los LED emiten luz en un rango de frecuencias relativamente estrecho. La frecuencia de la luz emitida está determinada por la brecha de energía del semiconductor. Los semiconductores se utilizan porque la brecha de energía de los semiconductores corresponde a la energía de fotones ultravioleta, visibles o infrarrojos cercanos. Mientras que la luz emitida por un LED tiene un rango estrecho de frecuencias, los láseres emiten luz con un rango de frecuencias mucho más estrecho. Los LED emiten luz dentro de un rango de frecuencia estrecho, pero las aplicaciones, como la iluminación residencial, requieren luz blanca con un ancho de banda más amplio. Una estrategia utilizada para producir luz blanca a partir de un LED es usar fósforos. En dicho dispositivo, un LED convierte la electricidad en luz UV cercana o azul. Los fósforos absorben la luz azul y emiten luz a energías más bajas, a longitudes de onda en el rango visible. Por esta razón, los LED azules fueron particularmente importantes para generar luz blanca. Pasaron décadas desde la invención de los LED rojos en la década de 1960 hasta que se desarrollaron ledes azules confiables en las décadas de 1980 y 1990. En 2014, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura fueron galardonados con el Premio Nobel de Física por su trabajo desarrollando LEDs azules. Este esfuerzo requirió el desarrollo de tecnología de deposición para nuevos materiales como el nitruro de galio, y requirió poder depositar estos materiales en capas muy puras sin deformación mecánica desgarrando los materiales [90].
Un dispositivo relacionado que emite luz por emisión espontánea es un diodo orgánico emisor de luz, OLED. En un OLED, un voltaje excita electrones en una capa delgada, 100-200 nm, de un material orgánico, y el tipo de material orgánico utilizado determina la longitud de onda de la luz emitida [91]. Algunas pantallas planas están hechas de matrices de OLED. La luz blanca en estas pantallas se logra a partir de una combinación de OLED rojo, verde y azul cerca uno del otro [91].
Los LED son pequeños dispositivos que a menudo pueden caber en un milímetro cúbico. Por esta razón, se pueden integrar en la electrónica más fácilmente que dispositivos como lámparas incandescentes y lámparas de descarga de gas que requieren tubos de vacío. Los LED requieren electricidad de bajos voltajes para funcionar. Dado que requieren una pequeña cantidad de energía eléctrica de entrada, producen una pequeña cantidad de potencia óptica de salida. Las lámparas incandescentes y las lámparas de descarga de gas tienen ventajas en aplicaciones de alta potencia, pero también se pueden usar matrices de LEDs en estas aplicaciones. Otra ventaja de los LED es que tienen una vida útil más larga. En las lámparas de descarga de gas, los electrodos se rocían, depositando material sobre la superficie del tubo, limitando la vida útil del dispositivo.