Diode électroluminescente
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Une diode électroluminescente (également appelée DEL ou LED : light emitting diode) est un composant électronique capable d'émettre un signal lorsqu'il est alimenté électriquement.
Elle produit un rayonnement monochromatique incohérent à partir d'une transformation d'énergie. Ce composant est à spectre d'émission continue et relève de l'optoélectronique électro-luminescent.
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Historique
Xavier Jr. (né en 1928) est le premier à avoir créé une diode à spectre visible en 1962.
Mécanisme d'émission
C'est lors de la recombinaison d'un électron et d'un trou dans un semiconducteur qu'il peut y avoir 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 
. 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 :
hν = Ei − Ef (eV)
Une diode électroluminescente est une jonction PN polarisée en direct dans laquelle la plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice de la led est la zone P car elle est la plus radiative.
Rendement
On définit plusieurs rendements qui mettent en évidence les limites de la diode :
- le rendement global η (rapport de la puissance lumineuse émise à la puissance électrique absorbée) est le produit des deux rendements quantiques qui suivent à une constante près.
- le rendement quantique interne ηi (rapport du nombre de photons générés aux nombres de porteurs traversant la jonction) est essentiellement lié aux caractéristiques internes de la diode. Il est le produit des rendements d'injection et d'émission et est en général assez élevé. Sa valeur maximale permet de déterminer le dopage NA à utiliser.
- le rendement d'injection γ (rapport du courant d'injection susceptible de produire des recombinaisons radiatives au courant total). Comme seul la face P est émettrice, les recombinaisons ayant lieu dans la zone N ne participent pas à l'émission et le courant d'injection des trous est inutile pour l'émission.
- le rendement d'émission ηe (rapport du taux de recombinaisons radiatives aux taux de recombinaisons globales) est dû au fait que toutes les recombinaisons ne sont pas radiatives.
- le rendement quantique externe η0 (rapport du nombre de photons émis au nombre de photons créés). C'est ce rendement quantique externe qui limite le rendement globale. Pour sortir du dispositif (enveloppe externe et semiconducteur), les photons doivent traverser (sans être absorbés) le semiconducteur, de la jonction jusqu'à la surface, puis traverser la surface du semiconducteur sans subir de réflexion. Pour diminuer les phénomène de diffraction, les enveloppes externes des diodes sont souvent en forme de dômes
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 le 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 répandue : les diodes à GaAs, ce sont les plus économiques et ont un usage général. Bien qu'elles nécessitent une tension directe plus élevée, les diodes à GaAlAs offrent une plus grande puissance de sortie, ont une longueur d'onde plus courte (< 950nm, ce qui correspond au maximum de sensibilité des détecteurs au silicium) et présentent une bonne linéarité jusqu'à 1.5A. 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 (durées nécessaire pour qu'un courant atteigne 10% ou 90% de sa valeur finale ou pour décroître de 90% à 10%), ce qui permet des débits de données très élevés. Ces durées sont causées par la capacité de la jonction dans la diode et limite l'usage en haute fréquence pour le transfert de données par exemple.
Caractéristiques
Forme
Ce composant peut être encapsulé dans diverses formes destinées à canaliser le flux de lumière émise de façon précise: cylindrique à bout arrondi en 3, 5, 8 et 10mm de diamètre, cylindrique à bout plat, rectangulaire, sur support coudé, en technologie traversante ou à monter en surface (CMS).
Luminosité
- Le rendement lumineux général des leds est assez faible, mais suffisant pour la signalisation sur tableau. Le bâtiment du NASDAQ, à New York possède une façade lumineuse animée entièrement réalisée en leds (quelques dizaines de milliers).
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- Des leds dites super lumineuses ont vu le jour à la fin du XXe siècle siècle. Leur rendement est tel, que montées en nombres suffisant, elles sont employées en remplacement de lampe à incandescence classique:
- Feux de signalisation automobile (clignotant, veilleuses, feux de position).
- leds noyées dans le bitume pour la matérialisation des pistes la nuit ou par temps de brouillard
- Signalisation portative individuelle (piéton, cycliste).
- Eclairage de courte portée portatif.
- Les avantages de ce type de led (super lumineuse) sont:
- Une très faible consommation électrique (quelques dizaines de milliwatts, mais il faut associer des centaines de leds pour obtenir l'équivalent d'une lampe classique).
- Une durée de vie beaucoup plus longue qu'une lampe à incandescence, et une fin qui se déclare par une baisse de rendement progressive et non par un claquage brusque.
- Un fonctionnement en très basse tension (TBT) gage de sécurité et de facilité de transport. Il existe pour les campeurs des torches à leds actionnées par une simple magnéto à main de mouvement lent.
- Atout non négligeable en matière de sécurité, par rapport aux systèmes lumineux classiques, car son inertie lumineuse est quasiment nulle.
Toutefois les «leds» dites blanches reconstituent ce blanc par un panachage de juste quelques longueurs d'onde et non un spectre continu comme les lampes aux halogènes ou à incandescence simple. Le résultat est perçu par quelques usagers comme donnant une atmosphère « froide » aux intérieurs.
Couleurs
| Couleur | Longueur d'onde (nm) | Tension de seuil (V) | semi-conducteur utilisé |
|---|---|---|---|
| IR | λ>760 | ΔV<1.63 | arséniure de gallium/aluminium (AlGaAs) |
| Rouge | 610<λ<760 | 1.63<ΔV<2.03 | arséniure de gallium/aluminium (AlGaAs) arséniure/phosphure de gallium (GaAsP) |
| Orange | 590<λ<610 | 2.03<ΔV<2.10 | arséniure/phosphure de gallium (GaAsP) |
| Jaune | 570<λ<590 | 2.10<ΔV<2.18 | arséniure/phosphure de gallium (GaAsP) |
| Vert | 500<λ<570 | 2.18<ΔV<2.48 | nitrure de gallium (GaN) phosphure de gallium (GaP) |
| Bleu | 450<λ<500 | 2.48<ΔV<2.76 | séléniure de zinc (SnSe) nitrure de gallium/indium (InGaN) carbure de silicium (SiC) |
| Violet | 400<λ<450 | 2.76<ΔV<3.1 | |
| Ultraviolet | λ<400 | ΔV>3.1 | diamant (C) |
| Blanc | xxx | ΔV=3,5 |
Citation
« Nous avons aujourd'hui produire des leds de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel, et même d'un très grand nombre de couleurs qui ne sont "pas" présentes dans l'arc-en-ciel ». Déclaration faite lors l'assemblée des actionnaires de la compagnie AIXtron, l'un des principaux fabricants non de leds, mais d'appareils à construire les leds. Des couleurs comme le marron ne sont en effet pas présentes dans l'arc-en-ciel. Cette déclaration annonçait en son temps que le fabricant savait désormais fabriquer des panachages de longueurs d'onde, et donc produire des LED polychromatiques.
Site sur les leds
http://www.led-fr.net est très intéressant car il présente une présentation des leds assez complète. (Historique, fonctionnement vulgarisé et « réel », application...) Ce site est très approprié pour les étudiants en classe préparatoire qui préparent un TIPE sur les leds.
Bibliographie
- Frank Wohlrabe, Guide pratique de l'infrarouge : Télécommande, télémétrie, tachymétrie, Publitronic, 29 mai 2002. ISBN 2866611284