Une diode électroluminescente, couramment abrégée sous le sigle DEL et le plus souvent sous l’anglicisme LED (pour light-emitting diode) est un composant électronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Une diode ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens.
Une DEL produit un rayonnement monochromatique incohérent à partir d’une transformation d’énergie. Elle fait partie de la famille des composants optoélectroniques.
Diodes de différentes couleurs
Sommaire
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* 1 Historique
* 2 Les différentes familles
o 2.1 Classement selon la puissance
o 2.2 Classement selon le spectre d'émission
* 3 Mécanisme d'émission
* 4 Techniques de fabrication
* 5 Efficacité lumineuse
* 6 Caractéristiques
o 6.1 Forme
o 6.2 Luminosité
o 6.3 Couleurs
o 6.4 Points forts et faiblesses
+ 6.4.1 Avantages
+ 6.4.2 Inconvénients
* 7 Utilisations
o 7.1 DEL ordinaires
o 7.2 DEL blanches
* 8 Branchement
* 9 Évolution prévisible des performances des diodes électroluminescentes[4]
* 10 Notes
o 10.1 Bibliographie
* 11 Voir aussi
o 11.1 Liens internes
o 11.2 Liens externes
Historique [modifier]
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 en 1990 par le Dr. Shuji Nakamura, alors employé par la société (en) Nichia, suivie par la diode blanche, point de départ de nouvelles applications majeures : éclairage, écrans de téléviseurs et d’ordinateurs.
Les différentes familles [modifier]
Il existe plusieurs manières de classer les DEL :
Classement selon la puissance [modifier]
La première est un classement par puissance :
* Les DEL 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 DEL de forte puissance > 1 W. Souvent méconnues du grand public, elles sont pourtant en plein essor et leurs applications sont souvent ignorées : flashes de téléphones portables et même éclairage domestique. Le principe de fonctionnement est pratiquement équivalent; toutefois certaines différences significatives existent entre les deux familles. Elles disposent chacune d'un champ d’application spécifique.
Classement selon le spectre d'émission [modifier]
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 [modifier]
Gros-plan d’une diode électroluminescente
L’anode et la cathode 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{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 = Ei − Ef (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 [modifier]
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 silicium (Si) ou du zinc (Zn). Les fabricants proposent de nombreux types de diodes aux spécificités différentes. On peut citer le type le plus répandu : les diodes à l’arséniure de gallium, ce sont les plus économiques et ont un usage général. Bien qu’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 très courts (durée nécessaire 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 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.
Efficacité lumineuse [modifier]
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.
Selon les types de DEL, l’efficacité lumineuse est variable. Généralement comprise entre 20 et 80 lm/W[réf. nécessaire], elle dépasse parfois les 100 lm/W[réf. nécessaire]. Une grande disparité dans les performances est présente selon la couleur (température de couleur pour le blanc), la puissance ou encore la marque de la DEL. Les bleues n’excèdent pas les 30 lm/W alors que les vertes peuvent avoir un efficacité lumineuse bien plus élevé du fait que l’œil discrimine peu les longueurs d’onde proches du vert. Les efforts colossaux effectués en recherche et développement pour les DEL blanches leur a permis d’être aussi efficaces (voire plus) que les DEL de couleur.
La limite théorique d’une source qui transformerait intégralement toute l’énergie électrique en lumière visible est de 683 lm/W (cette valeur dérive directement de la définition du candela et par extension du lumen). Pour cela, il faudrait qu’elle possède un spectre monochromatique de longueur d’onde 555 nm. L’efficacité lumineuse théorique d’une DEL blanche est de l’ordre de 300 lm/W. Ce chiffre est inférieur à 683 lm/W du fait que l’œil discrimine toutes les longueurs d’ondes hormis à 555 nm.
L’efficacité lumineuse des DEL blanches de dernière génération est supérieure à celle des lampes à incandescence mais aussi à celle des lampes fluocompactes ou encore de certains modèles de lampes à décharge. Le spectre de la lumière émise est presque intégralement contenu dans le domaine du visible (les longueurs d’onde sont comprises entre 400 nm et 700 nm). Contrairement aux lampes à incandescence et aux lampes à décharge, les DEL n’émettent quasiment pas d’infrarouge.
L’efficacité lumineuse 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 5 mm au lieu de 300 µm). 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 [modifier]
Forme [modifier]
DEL 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 10 mm 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 1 W ci-contre est assez représentative.
Luminosité [modifier]
* L’intensité lumineuse générale des DEL est assez faible, mais suffisante pour la signalisation sur tableau, ou bien les feux de circulation (Feux tricolores, passages piétons). Les DEL bleues sont également 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 DEL (quelques dizaines de milliers).
Les DEL de puissance sont aussi utilisées dans la signalisation maritime comme sur les bouées permanentes. Deux de ces diodes sont situées l’une par dessus l’autre et suffisent à un éclairement important et visible par les bateaux de nuit.
Lampes à DEL
* Des DEL dites super lumineuses ont vu le jour à la fin du XXe siècle. Au début du XXIe siècle, des rendements aux alentours de 130[réf. nécessaire] lumens par watt sont atteints avec ces types de technologies. Pour comparaison, les ampoules à filament de 60 W atteignent 14[réf. nécessaire] lumens par watt.
Couleurs [modifier]
La couleur d’une DEL peut être générée de différentes manières[1] :
* 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 phosphores) ;
* coloration par plusieurs émissions de longueur d’onde différentes : les DEL polychromatiques. Elles permettent notamment de proposer une vaste gamme de couleurs[2].
Voici quelques colorations en fonction du semi-conducteur utilisé :
