Diode électroluminescente

Une diode électroluminescente, abrégée sous les sigles DEL ou LED, est un composant électronique capable d'émettre de la lumière quand il est parcouru par un courant électrique.



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  • LED est le sigle anglais pour Light Emitting Diode, traduit en français par le sigle DEL pour Diode Electroluminescente (mais peu usité). DEVELOPPEMENTS... (source : www2.ademe)

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].

Diodes de différentes couleurs

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 Dr. 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 :

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)  :

Mécanisme d'émission

Gros-plan d'une diode électroluminescente
L'anode et la cathode d'une LED. Les signes indiquent la polarisation (courant conventionnel) quand 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{k}. 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 (Ef) la transition :
hν = EiEf (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

DEL 1 W

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

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.

Lampes à diode électroluminescente

Couleurs

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

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

Article détaillé : lampe à diode électroluminescente.

Avantages

Inconvénients

Utilisations

Différents types de diodes LED

Diodes électroluminescentes ordinaires

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 :

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

  1. Elsa Bembaron, «Les lampes passent aux LED», mardi Le Figaro. Consulté le jeudi 25 mars 2010
  2. CNSPWR70CSS-K1 specification
  3. Nichia Corp. claims white LED delivering 150 lumens/Watt efficiency, 22 décembre 2006, Nichia Corp. Press Release. Consulté le 3 décembre 2006
  4. (fr) Led Engineering Development - LEDs blanches : les différentes technologies[pdf]
  5. «Nous savons actuellement produire des LED de l'ensemble des couleurs de l'arc-en-ciel et , même d'un particulièrement 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. Des couleurs comme le marron ne sont en effet pas présentes dans l'arc-en-ciel, et produites par panachages de longueurs d'onde (LED polychromatiques).
  6. (en) article du Nikkei en anglais du 17 décembre 2007
  7. Source : Ademe ; H. Lefebvre, 29 juin 2006

Bibliographie

Voir aussi

Liens externes


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