Diode électroluminescente

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Une diode électroluminescente (abrégé en DEL), également appelée LED en 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. Elle a un spectre d'émission continu et fait partie de la famille des composants optoélectroniques.

Sommaire

1 Historique
2 Mécanisme d'émission
3 Rendement
4 Techniques de fabrication
5 Caractéristiques
6 Citation
7 Voir aussi
- 7.1 Liens externes
- 7.2 Bibliographie

[modifier] Historique

Nick Holonyak Jr. (né en 1928) est le premier à avoir créé une diode à spectre visible en 1962.

[modifier] Mécanisme d'émission

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 <math>\vec{k}</math>. 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 (E_i) et après (E_f) la transition :
<math>h\nu = E_i - E_f</math> (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 elle est la plus radiative. Image:Ledmrp.jpg

Image:Led.PNG

[modifier] Rendement

On définit plusieurs rendements qui mettent en évidence les limites de la DEL :

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 η_i (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 seule 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. Ce problème est toutefois obvié dans les DEL dont la région émettrice est un ensemble de minces puits quantiques, localisant l'origine de l'émission dans une région plus petite que la longueur d'onde.
Le rendement d'émission η_e (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 global. Pour sortir du dispositif (semiconducteur puis enveloppe externe en epoxy), 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, 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 epoxy (quelquefois teintée pour reconnaitre la DEL dans les casiers, 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 5 mm au lieu de 300 microns). 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 millimiétrique 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.

[modifier] 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 (< 950 nm, ce qui correspond au maximum de sensibilité des détecteurs au silicium) et présentent une bonne linéarité jusqu'à 1,5 A. 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 10% à 90% de sa valeur finale ou pour décroisse de 90% à 10%), 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.

[modifier] Caractéristiques

[modifier] Forme

Image:Luxeon-1w.jpg

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 10 mm de diamètre, cylindrique à bout plat, rectangulaire, sur support coudé, en technologie traversante ou à monter en surface (CMS).

[modifier] Luminosité

Le rendement lumineux général des DELs 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 DELs (quelques dizaines de milliers).

Image:Ampoules.jpg

Des DEL dites super lumineuses ont vu le jour à la fin du XX^e siècle. Leur rendement est tel que, montées en nombre suffisant, elles sont employées en remplacement de lampes à incandescence classiques :
- Feux de signalisation automobile ou motocycliste (clignotant, veilleuses, feux de position).
- DEL noyées dans le bitume pour la matérialisation des pistes la nuit ou par temps de brouillard.
- Signalisation portative individuelle (piéton, cycliste).
- Éclairage de courte portée portatif.
Les avantages des DEL super-lumineuses sont :
- Une très faible consommation électrique due à un très bon rendement (quelques dizaines de milliwatts, mais il faut associer des centaines de DEL 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 DEL 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.
- Ne chauffe quasiment pas, indispensable pour la sécurité en milieu explosif ou combustible.

Inconvénient : les DEL 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 les usagers comme donnant une atmosphère « froide » aux intérieurs.

[modifier] 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) phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Orange	590<λ<610	2,03<ΔV<2,10	phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Jaune	570<λ<590	2,10<ΔV<2,18	phospho-arséniure 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 (ZnSe) 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

[modifier] Citation

« Nous savons aujourd'hui produire des LED 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 DEL, mais d'appareils à construire les DEL. 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 DEL polychromatiques.

[modifier] Voir aussi

[modifier] Liens externes

http://www.led-fr.net présente les LED de façon assez complète (historique, fonctionnement vulgarisé et « réel », applications, expériences, montages...). Ce site est par exemple approprié pour les étudiants en classe préparatoire (CPGE) qui préparent un TIPE sur les LED. Et dispose désormais d'un forum.
(en) Actualités sur la fabrication des DEL.
http://fdogs.free.fr/index.php?del un rapport sur les DEL (le fonctionnement, les applications actuelles et les prochainnes applications).