Diode électroluminescente

Une diode électroluminescente, abrégée sous les sigles DEL ou LED (de l'anglais light-emitting diode), est un composant électronique capable d'émettre de la lumière quand il est parcouru par un courant électrique. Une diode electroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens et produit un rayonnement monochromatique incohérent à partir d'une transformation d'énergie. Elle est membre de la famille des composants optoélectroniques, et compte plusieurs dérivées, essentiellement, l'oled, l'amoled ou le foled (pour fexible oled). Les leds sont reconnues par énormément comme technologie d'avenir. En effet, on estime que d'ici à 2020, les LED pourraient représenter 75 % du marché de l'éclairage^[1].

Historique

Nick Holonyak Jr (né en 1928) est le premier à avoir créé une diode électroluminescente à spectre visible en 1962. Pendant longtemps, les chercheurs ont cru devoir se limiter aux trois couleurs : rouge, jaune et vert. La diode bleue, mise au point en 1971, est handicapée par un faible rendement et un coût de production élevé jusqu'en 1990, année pendant laquelle le D^r. Shuji Nakamura, alors employé par la société (en) Nichia, l'perfectionne énormément. Cette importante avancée permit le développement de 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 diodes électroluminescentes :

Classement selon la puissance

La première est un classement par puissance :

• Les diodes électroluminescentes de faible puissance < 1 W. 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 LED de forte puissance > 1 W. Fréquemment méconnues du grand public, elles sont néenmoins en plein essor et leurs applications sont fréquemment ignorées : flash de téléphones portables, éclairage domestique, éclairage de spectacle, lampe de poche ou frontales... Le principe de fonctionnement est quasiment équivalent ; cependant certaines différences significatives existent entre les deux familles. Elles disposent chacune d'un champ d'application spécifique.

Classement selon le spectre d'émission

Une autre manière de les classer est de considérer la répartition de l'énergie dans la gamme de longueur d'onde couvrant le visible (longueurs d'ondes de l'ordre de; 380 - 780 nm). La raison de la distinction réside dans le fait que les diodes blanches peuvent servir à éclairer, ce qui est l'une des applications phares du futur (proche)  :

• Les chromatiques : l'énergie est concentrée sur une plage étroite de longueur d'onde (20 à 40 nm). Ces sources ont un spectre presque monochromatique.
• Les blanches : l'énergie est répartie dans le visible sur toute la gamme de longueurs d'onde 380-780 nm à peu près.

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 . 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 :
hν = E_i − E_f (eV)
Une diode électroluminescente est une jonction P-N qui doit être polarisée en sens direct quand on veut émettre de la lumière. La majorité des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice de la LED 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 par conséquent du matériau utilisé. L'ensemble des 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 silicium (Si) ou du zinc (Zn). Les fabricants proposent de nombreux types de diodes aux spécificités différentes. On peut citer le type le plus commun : les diodes à l'arséniure de gallium, ce sont les plus économiques et ont un usage général. Quoiqu'elles nécessitent une tension directe plus élevée, les diodes à l'arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) 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) AlGaAs offrent les avantages des deux techniques précédentes (faible tension directe) en ayant des temps de commutation particulièrement courts (durée indispensable pour qu'un courant croisse de 10 % à 90 % de sa valeur finale ou pour décroître de 90 % à 10 %), ce qui permet des débits de données particulièrement 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

Le rendement lumineux est le rapport du flux lumineux émis par la puissance électrique consommée. Il s'exprime en lumens par watt (lm/W). Ce paramètre sert à comparer l'efficacité de la conversion de l'énergie en lumière visible des diverses sources de lumière.

Selon les types de diodes, le rendement lumineux est variable, le plus souvent compris entre 20 et 128 lm/W^[2], et atteint en laboratoire les 160 lm/W^[3]. Une grande disparité dans les performances est présente selon la couleur (température de couleur pour le blanc), la puissance ou encore la marque. Les bleues n'excèdent pas les 30 lm/W tandis que les vertes peuvent avoir une efficacité lumineuse énormément plus élevée. Les efforts colossaux effectués en recherche et développement pour les LED blanches leur ont permis d'être aussi efficaces (voire plus) que les LED à couleur.

La limite théorique d'une source qui transformerait totalement toute l'énergie électrique en lumière visible est de 683 lm/W (cette valeur dérive directement de la définition de la candela et par extension du lumen). Pour cela, il faudrait qu'elle possède un spectre monochromatique de longueur d'onde 555 nm. Le rendement lumineux théorique d'une LED blanche est de l'ordre de 250 lm/W. Ce chiffre est inférieur à 683 lm/W du fait que le maximum de sensibilité de l'œil se situe vers 555 nm.

Le rendement lumineux des blanches de dernière génération est supérieur à celle des lampes à incandescence ainsi qu'à celui des lampes fluocompactes ou encore de certains modèles de lampes à décharge. Le spectre de la lumière émise est presque totalement contenu dans le domaine du visible (les longueurs d'onde sont comprises entre 400 nm et 700 nm). Contrairement aux lampes à incandescence ainsi qu'aux lampes à décharge, les diodes électroluminescentes n'émettent presque pas d'infrarouge.

Le rendement lumineux dépend de la conception de la LED. Pour sortir du système (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 , surtout, ne pas subir la réflexion totale interne qui représente la grosse majorité des cas. Une fois arrivé dans l'enveloppe externe en résine époxy (parfois 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 mais aussi le permet la forme de dôme avec un diamètre énormément plus grand que la puce (3 à 5 mm au lieu de 300 µm). Dans les diodes électroluminescentes de dernière génération, surtout pour l'éclairage, ce dôme plastique fait l'objet d'une attention spécifique 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 LED presque sans dômes.

Caractéristiques

Forme

Ce composant peut être encapsulé dans diverses formes conçues pour canaliser le flux de lumière émis 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). Les LED de puissance ont, elles, des formes plus homogènes : la luxeon 1 W ci-contre est assez représentative. Ces types led voient apparaître des leds dite "multicœur", dont le composant est en effet partagé en 4 éléments basiques.

L'enveloppe transparente, ou capot, est le plus souvent en résine epoxy, quelquefois colorée ou recouverte de colorant.

Luminosité

• L'intensité lumineuse générale des diodes électroluminescentes est assez faible, mais suffisante pour la signalisation sur tableau, ou bien les feux de circulation (feux tricolores, passages piétons). Les bleues sont aussi suffisamment puissantes pour signaliser les bords de route, la nuit, aux abords des villes. Le bâtiment du NASDAQ, à New York possède une façade lumineuse animée entièrement réalisée en LED (quelques dizaines de milliers).

Les LED de puissance sont aussi utilisées dans la signalisation maritime comme sur les bouées permanentes. Deux de ces diodes sont localisées l'une par dessus l'autre et suffisent à un éclairement important et visible par les bateaux de nuit.

• Des LED dites super lumineuses ont vu le jour à la fin du XX^e siècle. Au début du XXI^e siècle, des rendements aux alentours de 130 lumens par watt sont atteints avec ces types de technologies. Pour comparaison, les ampoules à filament de 60 W atteignent 14 lumens par watt.

• Les LED sont actuellement suffisamment puissantes pour servir d'éclairage dans le secteur de l'automobile. Employée en premier lieu pour les feux de stop, clignotant ou de recul, ceux-ci remplaceront sans doute à terme l'ensemble des ampoules classiques.

Couleurs

La couleur d'une diode électroluminescente peut être générée de différentes manières^[4] :

• coloration due à la longueur d'onde du semi-conducteur (capot transparent)  ;
• coloration modifiée par le capot de la diode (émission bleue ou UV + revêtement à base de luminophores)  ;
• coloration par plusieurs émissions de longueur d'onde différentes : les diodes électroluminescentes polychromatiques. Elles permettent surtout de proposer une vaste gamme de couleurs^[5].

Voici quelques colorations selon le semi-conducteur utilisé :

Couleur	Longueur d'onde (nm)	Tension de seuil (V)	Semi-conducteur utilisé
InfraRouge	λ > 760	ΔV < 1,63	arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs)
Rouge	610 < ? < 760	1, 63 < ?V < 2,03	arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Orange	590 < ? < 610	2, 03 < ?V < 2,10	phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Jaune	570 < ? < 590	2, 10 < ?V < 2,18	phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Vert	500 < ? < 570	2, 18 < ?V < 2,48	nitrure de gallium (GaN) phosphure de gallium (GaP)
Bleu	450 < ? < 500	2, 48 < ?V < 2,76
Violet	400 < ? < 450	2, 76 < ?V < 3,1
Ultraviolet	λ < 400	ΔV > 3, 1
Blanc	Chaude à froide	ΔV = 3, 5

Pour le blanc, on ne parle pas de longueur d'onde mais de température de couleur (TC). Celle des diodes électroluminescentes est assez variable selon le modèle.

Points forts et faiblesses

Avantages

• Facilité de montage sur un circuit imprimé, respectant les traditions ou CMS
• Excellente résistance mécanique (chocs, écrasement, vibrations)
• Faible à particulièrement faible consommation électrique (quelques dizaines de milliwatts) pour un très bon rendement.
• Durée de vie bien plus longue qu'une lampe à incandescence classique ou même qu'une lampe fluorescente (50 000 à 100 000 heures contre 6 000 à 15 000 heures pour les fluorescentes et au maximum un millier d'heures pour les lampes à incandescence).
• Taille bien plus petite que les lampes classiques. En assemblant plusieurs LED, on peut réaliser des éclairages avec des formes novatrices.
• Fonctionnement en très basse tension (TBT), gage de sécurité et de facilité de transport. Il existe pour les campeurs des lampes de poche à LED actionnées par une simple dynamo à main («lampe à manivelle») de mouvement lent.
• Atout non négligeable en matière de sécurité, comparé aux dispositifs lumineux classiques, leur inertie lumineuse est presque nulle. Elles s'allument et s'éteignent en un temps particulièrement court, ce qui permet l'utilisation en transmission de signaux à courte distance (optocoupleurs) ou longue (fibres optiques). Les LED atteignent immédiatement leur intensité lumineuse nominale.
• Vu leur puissance, les LED classiques 5 mm ne chauffent presque pas et ne brûlent pas les doigts. Pour les montages de puissance supérieure à 1 W, il faut prévoir une dissipation de la chaleur sans quoi la diode sera fortement endommagée ou alors détruite du fait de l'échauffement. En effet, une diode électroluminescente convertit à peu près 20 % de l'énergie électrique en lumière, le reste étant dégagé sous forme de chaleur.

Inconvénients

• Les LED dites blanches sont le plus souvent des LED bleues recouvertes de luminophores, le plus souvent du YAG :Ce (Yttrium Aluminium Garnet dopé au Cérium). Ce blanc est le plus souvent froid et possède un mauvais indice de rendu de couleur (IRC). Cependant, cet inconvénient est corrigé industriellement.
• Désavantages propres aux LED de forte puissance :
  • Le rendement lumineux est plus faible.
  • Les LED bleues mais aussi les blanches contiennent un spectre bleu de forte intensité dangereux pour la rétine si leur rayonnement entre dans le champ de vision, même périphérique. Le problème se pose par exemple avec les flashs à base de diodes électroluminescentes.
• La lumière bleue, même de faible intensité, présente dans une chambre à coucher au cours de la nuit (par exemple, veille d'un appareil ou radio-réveil) perturbe le cycle du sommeil en diminuant la synthèse de la mélatonine.
• En 2008, le prix à l'achat des LED reste de deux à quatre fois plus élevé que celui des lampes classiques, à luminosité égale mais devrait baisser rapidement compte-tenu du développement rapide des ventes^[6].
• La LED étant un semi-conducteur, elle est affectée par la température : plus elle chauffe, plus sa tension directe de jonction décroît, et son rendement lumineux se dégrade. Cela pose des problèmes de fiabilité si une mise en œuvre thermique correcte n'est pas réalisée (pour les modèles de puissance).
• La LED est une diode avant tout, la fabrication de la lumière est liée directement à la circulation des électrons dans sa jonction, et non à la tension présente aux limites de la jonction. Ce fonctionnement impose une régulation en courant et non en tension si on veut avoir un effet prévisible, reproductible et sans risque de destruction (ou placement involontaire hors régime nominal) quelles que soient les dispersions du composant.

Utilisations

Diodes électroluminescentes ordinaires

• Signalisation d'état d'appareils divers (lampes témoins en face avant ou sur le circuit, tableaux de bord de voitures, équipements de sécurité)
• Signalisation routière, feux arrières de voitures ou de bicyclettes
• Affichage alphabétique ou numérique d'appareils de mesure, de calculatrices, d'horloges
• Affichages de niveaux de mesures (niveaux de cuves, VU-mètres)
• Affichage statique ou dynamique de messages (journaux lumineux)
• Optocoupleurs
• Transmissions de signaux par fibre optiques
• Télécommandes (LED infrarouges)
• Cellules photoélectriques (LED infrarouges)
• Faisceau laser pour les appareils de mesure
• Faisceau laser pour la lecture et la gravure des CD et DVD
• Éclairage invisible pour caméras de surveillance (dans l'infrarouge)
• Luminaires et éclairage urbain (plus il y a peu de temps), avec par exemple Los Angeles, première métropole qui remplace ses 140 000 ampoules d'éclairage urbain par des diodes électroluminescentes depuis 2009 (programme qui s'achèvera en 2014), ce qui devrait diminuer de l'équivalent de 40 500 tonnes de carbone les émissions annuelles de cette ville (soit l'équivalent des émissions de 6 700 voitures). La ville pense aussi diminuer ses charges de maintenance avec au total une économie espérée de 48 millions de dollars en 7 ans sur la facture d'électricité de la ville.

Diodes électroluminescentes blanches

Le perfectionnement du rendement des LED permet de les employer à la place de lampes à incandescence ou fluorescence, à condition de les monter en nombre suffisant :

• LED noyées dans le bitume pour la matérialisation des pistes la nuit ou par temps de brouillard.
• Signalisation portative individuelle (piéton, cycliste).
• Éclairages de secours
• Éclairage de courte portée portatif.
• Feux de signalisation automobile ou motocycliste (clignotant, veilleuses, feux de position).
• Éclairage stroboscopique
• Depuis 2007, Audi et Lexus bénéficient de dérogations de la Commission européenne pour commercialiser des modèles pourvus de feux avant à base de LED. En 2009, La Ferrari 458 Italia innove elle aussi avec des phares à LED.
• Plusieurs villes remplacent leur éclairage public par des LED dans l'objectif de diminuer leur facture d'électricité et la pollution lumineuse du ciel (éclairage dirigé vers le bas). Le recours aux LED est aussi courant dans les feux tricolores. L'exemple de Grenoble est le plus fréquemment cité : la ville a réalisé son retour sur investissement en trois ans uniquement. En effet, les LED permettent des économies d'énergie, mais ce sont en particulier les coûts de maintenance qui baissent, du fait de leur robustesse.
• Lampes de poche à piles ou accumulateur à génératrice de recharge incorporé.
• Lampes de balisage des jardins alimentées par panneau solaire.
• Depuis 2006, le groupe américain Graffiti Research Lab a lancé un mouvement appelé Led throwies (lancer de LED) qui consiste à égayer les lieux publics en ajoutant de la couleur sur les surfaces magnétiques. Pour ceci, on combine une LED, une pile au lithium et un aimant, et on lance la totalité sur une surface magnétique [1].
• Depuis peu, les LED sont utilisées pour réaliser des écrans vidéo de très grande taille (plateaux TV salon dans des grands halls, stade…)
• Le rétroéclairage de l'écran par des diodes électroluminescentes sert à fabriquer des écrans plus fins, plus lumineux, ayant une étendue colorimétrique plus importante et plus économes que son prédécesseur ACL à rétroéclairage par tube fluorescent (technologie CCFL). À noter que les constructeurs restent assez flous sur le fait que les LED dégagent plus de chaleur.

Branchement

Les diodes électroluminescentes sont polarisées : on tiendra compte de la polarité (schéma en haut de page). Il est toujours indispensable de tenir compte de l'intensité maximale (typique : 10 à 30 mA pour une LED de signalisation) supportée par la diode et par conséquent d'intercaler une résistance en série, calculée selon la tension d'alimentation (loi d'Ohm). Pour les applications d'éclairage, on pourra regrouper plusieurs diodes dans un schéma série-parallèle : il faudra dans ce cas tenir compte de la chute de tension génèrée par les diodes en série pour calculer la résistance en série : plus il y aura de diodes en série, plus forte sera la chute de tension ; ce qui permettra de diminuer la résistance en série et par conséquent d'augmenter le rendement du système. Le courant maximal acceptable sera, quant à lui, multiplié par le nombre de groupes de diodes en parallèle.

Évolution prévisible des performances des diodes électroluminescentes^[7]

Sujet	2010	2020	2030
Flux unitaire maximum (lm)	135	600	1 500
Rendement maximum (lm/W)	128 jusqu'à 160 en laboratoire	100 à 150	150 à 200
Température de couleur (k)	3 200-10 000	3 200-10 000	3 200-10 000
Indice de rendu des couleurs	80 à 90	80 à 90	80 à 90
Durée de vie (heures)	50 000	80 000 à 100 000	80 000 à 100 000
/ 1000 lumen	100	5	2
Possibilité de gradation	oui	oui	oui
Homogénéité des performances	non	oui	oui
Durabilité des performances	non	oui	oui
Robustesse	oui	oui	oui

Notes et références

Bibliographie

• Frank Wohlrabe, Guide pratique de l'infrarouge : télécommande, télémétrie, tachymétrie, Publitronic, 29 mai 2002, (ISBN 2866611284) .

Voir aussi

Liens externes

• (fr) www. led-fr. net
• (fr) Métrologie des LED, 13^e Congrès international de métrologie, Lille, 2007
• (fr) Influence du courant d'alimentation et incertitudes, 14^e Congrès international de métrologie, Paris, 2009
• (fr) Caractérisation du rendu des couleurs des nouvelles sources : les diodes électroluminescentes, Thèse de doctorat du Conservatoire national des arts et métiers (Cnam) de Paris, dans la spécialité "Lasers, métrologie, communications", Nicolas POUSSET, 2009
• (fr) Reportage sur l'arrivée des ampoules à LED au Japon - 3 octobre 2009
• (en) Calcul d'incertitudes appliqué aux LED, Metrologia
• (en) LED professional
• Le site DatasheetCatalog. net [2] permet (pour les amateurs de courbes surtout) d'accéder à de nombreuses fiches techniques de LEDs, à condition de les rechercher sous le nom de "solid state lamps".

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