Diode électroluminescente

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Une diode électroluminescente (abrégée en DEL), également appelée LED de l'anglais pour light-emitting diode est un composant électronique capable d'émettre de la lumière lorsqu'il est parcouru par un courant électrique. Une DEL produit un rayonnement monochromatique incohérent à partir d'une transformation d'énergie. Ce rayonnement possède un spectre d'émission continu. Elle fait partie de la famille des c
Diode électroluminescente

Une diode électroluminescente (abrégée en DEL), également appelée LED de l'anglais pour light-emitting diode est un composant électronique capable d'émettre de la lumière lorsqu'il est parcouru par un courant électrique. Une DEL produit un rayonnement monochromatique incohérent à partir d'une transformation d'énergie. Ce rayonnement possède un spectre d'émission continu. Elle fait partie de la famille des composants optoélectroniques. Diodes de différentes couleurs

Historique

Nick Holonyak Jr. (né en 1928) est le premier à avoir créé une DEL à spectre visible en 1962. Pendant longtemps, les chercheurs ont cru devoir se limiter aux trois couleurs : rouge, jaune et vert. La diode bleue a été mise au point dans les années 1990, suivie par la diode blanche, point de départ de nouvelles applications majeures : éclairage, écrans de téléviseurs et d'ordinateurs.

Les différentes familles

Il existe plusieurs manières de classer les DEL entre elles.

Classement selon la puissance

La première est un classement par puissance :
-les DEL de faible puissance < . Ce sont les plus connues du grand public car elles sont présentes dans notre quotidien depuis des années. Ce sont elles qui jouent le rôle de voyant lumineux sur les appareils électroménagers par exemple.
-Les DEL de forte puissance > . Souvent méconnues du grand public, elles sont pourtant en plein essor et leurs applications sont souvent ignorées : flashes de téléphones portables et même éclairage général. Le principe de fonctionnement est certes le même, mais des différences importantes existent entre les deux familles. Il en résulte qu'elles ont chacune leur champ d'application propre.

Classement selon le spectre d'émission

Une autre manière de les classer est la nature de leur spectre. La raison de la distinction réside dans le fait que les DEL blanches peuvent servir à éclairer, ce qui est l'une des applications phares du futur (proche) :
-les DEL de couleur : leur spectre est quasiment monochromatique puisque très fin (il a la forme d'un pic à l'analyseur de spectre).
-les DEL blanches : leur spectre est constitué de plusieurs longueurs d'ondes.

Mécanisme d'émission

Gros-plan d'une diode électroluminescente Cathode et de l'anode d'une diode électroluminescente. Les signes indiquent la polarisation (courant conventionnel) lorsque la diode est utilisée en sens direct C'est lors de la recombinaison d'un électron et d'un trou dans un semiconducteur qu'il y a émission d'un photon. En effet, la transition d'un électron entre la bande de conduction et la bande de valence peut se faire avec la conservation du vecteur d'onde \vec. Elle est alors radiative (émissive) et elle s'accompagne de l'émission d'un photon. Dans une transition émissive, l'énergie du photon créé est donnée par la différence des niveaux d'énergie avant (Ei) et après (Ef) la transition : h\nu = E_i - E_f (eV) Une diode électroluminescente est une jonction PN qui doit être polarisée en sens direct lorsqu'on veut émettre de la lumière. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice de la DEL est la zone P car c'est la plus radiative.

Techniques de fabrication

La longueur d'onde du rayonnement émis est déterminée par la largeur de la bande interdite et dépend donc du matériau utilisé. Toutes les valeurs du spectre lumineux peuvent être atteintes avec les matériaux actuels. Pour obtenir de l'infrarouge, le matériau adapté est l'arséniure de gallium (GaAs) avec comme dopant du Si ou du Zn. Les fabricants proposent de nombreux types de diodes aux spécificités différentes. On peut citer le type le plus répandu : les diodes à l'GaAs, ce sont les plus économiques et ont un usage général. Bien qu'elles nécessitent une tension directe plus élevée, les diodes à l'GaAlAs offrent une plus grande puissance de sortie, ont une longueur d'onde plus courte (, ce qui correspond au maximum de sensibilité des détecteurs au silicium) et présentent une bonne linéarité jusqu'à . Enfin, les diodes à double hétérojonction (DH) GaAlAs offrent les avantages des deux techniques précédentes (faible tension directe) en ayant des temps de commutation très courts (durée nécessaire pour qu'un courant croisse de à de sa valeur finale ou pour décroître de à ), ce qui permet des débits de données très élevés dans les transmissions de données numériques par fibres optiques. Les temps de commutation dépendent de la capacité de la jonction dans la diode.

Rendement lumineux

C'est le rapport du flux lumineux émis par la puissance électrique consommée. Il s'exprime en lumens par Watt (lm/W). Ce paramètre permet de comparer l'efficacité de la conversion de l'énergie en lumière visible des diverses sources de lumière. Il est parfois abusivement appelé efficacité lumineuse. Selon les types de DEL, le rendement lumineux est compris entre 15 et plus de . Une grande disparité dans les performances est présente selon la couleur et la puissance de la DEL. Les bleues et les blanches n'excèdent pas les alors que les vertes peuvent avoir un rendement bien plus élevé du fait que l'œil discrimine peu les longueurs d'onde proches du vert. La limite théorique d'une source qui transformerait intégralement toute l'énergie électrique en lumière visible est de . Pour cela, il faudrait qu'elle possède un spectre monochromatique de longueur d'onde . Une DEL peut s'approcher de ce cas du fait de sa finesse mais, à l'heure actuelle, nous sommes rarement au delà de . Si le rendement lumineux des DEL blanches est relativement moyen : supérieur à celui des lampes à incandescence mais inférieur à celui des lampes fluorescentes ou des lampes à décharge, l'efficacité lumineuse est en revanche très élevée : le spectre de la lumière émise est presque intégralement contenu dans le domaine du visible (les longueurs d'onde sont comprises entre à ). Contrairement aux lampes à incandescence et aux lampes à décharge, les DEL n'émettent quasiment pas d'infrarouge. Les DEL de couleur ont généralement un meilleur rendement lumineux mais n'entrent pas en concurrence avec les sources classiques blanches. Le rendement lumineux dépend de la conception de la DEL. Pour sortir du dispositif (semi-conducteur puis enveloppe externe en époxy), les photons doivent traverser (sans être absorbés) le semi-conducteur, de la jonction jusqu'à la surface, puis traverser la surface du semi-conducteur sans subir de réflexion et, notamment ne pas subir la réflexion totale interne qui représente la grosse majorité des cas. Une fois arrivé dans l'enveloppe externe en résine époxy (quelquefois teintée pour des raisons pratiques et non pour des raisons optiques), la lumière traverse les interfaces vers l'air à incidence proche de la normale ainsi que le permet la forme de dôme avec un diamètre bien plus grand que la puce (3 à au lieu de ). Dans les DEL de dernière génération, notamment pour l'éclairage, ce dôme plastique fait l'objet d'une attention particulière, car les puces sont plutôt millimétriques dans ce cas et le diagramme d'émission doit être de bonne qualité. À l'inverse, pour des gadgets, on trouve des DEL quasiment sans dôme.

Caractéristiques

Forme

led 1 W Ce composant peut être encapsulé dans diverses formes destinées à canaliser le flux de lumière émis de façon précise : cylindrique à bout arrondi en 3, 5, 8 et de diamètre, cylindrique à bout plat, rectangulaire, sur support coudé, en technologie traversante ou à monter en surface (CMS). Les DEL de puissance ont, elles, des formes plus homogènes : la luxeon 1W ci-contre est assez représentative.

Luminosité

- L'intensité lumineuse générale des DEL est assez faible, mais suffisante pour la signalisation sur tableau. Le bâtiment du NASDAQ, à New York possède une façade lumineuse animée entièrement réalisée en DEL (quelques dizaines de milliers). Lampes à DEL
- Des DEL dites super lumineuses ont vu le jour à la fin du .

Couleurs

La couleur d'une DEL peut être générée de différentes manières :
- coloration due à la longueur d'onde du semiconducteur (capot transparent)
- coloration modifiée par le capot de la diode (émission bleue ou UV + revêtement à base de phosphores)
- coloration par plusieurs émissions de longueur d'onde différentes : les LED polychromatiques. Elles permettent notamment de proposer une vaste gamme de couleurs Déclaration faite lors l'assemblée des actionnaires de la compagnie AIXtron. Des couleurs comme le marron ne sont en effet pas présentes dans l'arc-en-ciel, et produites par panachages de longueurs d'onde (DEL polychromatiques). Voici quelques colorations en fonction du semiconducteur utilisé : | class=wikitable !Couleur !Longueur d'onde (nm) !Tension de seuil (V) !Semi-conducteur utilisé |- |InfraRouge ||λ>760 ||ΔV
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