Qu'est-ce que la LED?

Qu'est-ce que la LED?

Définition de la LED

Une diode électroluminescente (LED) est un dispositif à semi-conducteur qui émet de la lumière lorsque du courant électrique passe à travers elle.Les anciennes technologies LED utilisaient le phosphure d'arséniure de gallium (GaAsP), le phosphure de gallium (GaP) et l'arséniure d'aluminium-gallium (AlGaAs).Les LED produisent de la lumière visible par l'effet d'électroluminescence, qui se produit lorsque du courant continu passe à travers un cristal dopé avec une jonction PN.

Le dopage consiste à ajouter des éléments des colonnes III et V du tableau périodique. Lorsqu'il est alimenté par un courant polarisé en avant (IF), la jonction p-n émet de la lumière à une longueur d'onde déterminée par le gap énergétique de la région active (Eg).

Fonctionnement de la diode électroluminescente (LED)

Lorsque le courant polarisé en avant IF est appliqué à la jonction p-n de la diode, les électrons porteurs minoritaires sont injectés dans la région p et les électrons porteurs minoritaires correspondants sont injectés dans la région n. L'émission de photons se produit en raison de la recombinaison des électrons-trous dans la région p.

Les transitions d'énergie des électrons à travers le gap énergétique, appelées recombinations radiatives, produisent des photons (c'est-à-dire de la lumière), tandis que les transitions d'énergie parallèles, appelées recombinations non radiatives, produisent des phonons (c'est-à-dire de la chaleur). Les efficacités lumineuses typiques des LED AlInGaP et InGaN pour différentes longueurs d'onde principales sont montrées dans le tableau ci-dessous.

L'efficacité des LED est affectée par la lumière générée à la jonction et les pertes dues à la réabsorption lorsque la lumière sort du cristal. En raison de l'indice de réfraction élevé de la plupart des semi-conducteurs, une grande partie de la lumière est réfléchie à l'intérieur du cristal, diminuant son intensité avant qu'elle ne puisse s'échapper. L'efficacité exprimée en termes de cette énergie visible ultime mesurable est appelée efficacité externe.

Le phénomène de l'électroluminescence a été observé en 1923 dans des jonctions naturelles, mais il était impraticable à l'époque en raison de son faible rendement lumineux pour convertir l'énergie électrique en lumière. Cependant, aujourd'hui, l'efficacité a considérablement augmenté et les LED sont utilisées non seulement pour les signaux, indicateurs, panneaux et affichages, mais aussi pour l'éclairage intérieur et routier.

Couleur d'une LED

La couleur d'un dispositif LED est exprimée en termes de longueur d'onde dominante émise, λd (en nm). Les LED AlInGaP produisent les couleurs rouge (626 à 630 nm), rouge-orangé (615 à 621 nm), orange (605 nm) et ambre (590 à 592 nm). Les LED InGaN produisent les couleurs vert (525 nm), bleu-vert (498 à 505 nm) et bleu (470 nm). La couleur et la tension en avant des LED AlInGaP dépendent de la température de la jonction p-n de la LED.

À mesure que la température de la jonction p-n de la LED augmente, l'intensité lumineuse diminue, la longueur d'onde dominante se déplace vers des longueurs d'onde plus longues, et la tension en avant diminue. La variation de l'intensité lumineuse des LED InGaN avec la température ambiante de fonctionnement est faible (environ 10%) de − 20°C à 80°C. Cependant, la longueur d'onde dominante des LED InGaN varie avec le courant de pilotage de la LED ; lorsque le courant de pilotage de la LED augmente, la longueur d'onde dominante se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes.

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Diminution de l'intensité lumineuse

Les LED peuvent être assombries pour donner 10% de leur puissance lumineuse nominale en réduisant le courant de pilotage. Les LED sont généralement assombries en utilisant des techniques de modulation de largeur d'impulsion (PWM).

Fiabilité

La température maximale de la jonction (TJMAX) est cruciale pour la longévité d'une LED. Dépasser cette température endommage généralement le dispositif encapsulé. La durée de vie d'une LED est mesurée par le temps moyen entre les pannes (MTBF), calculé en testant de nombreuses LED à un courant et une température standard jusqu'à ce qu'elles soient à moitié défaillantes.

LED blanches

Les LED blanches sont maintenant fabriquées en utilisant deux méthodes : dans la première méthode, des puces LED rouges, vertes et bleues sont combinées dans le même boîtier pour produire de la lumière blanche ; dans la deuxième méthode, on utilise la phosphorescence. La fluorescence dans le phosphore encapsulé dans l'époxy entourant la puce LED est activée par l'énergie à courte longueur d'onde provenant du dispositif LED InGaN.

Efficacité lumineuse

L'efficacité lumineuse d'une LED est définie comme le flux lumineux émis (en lm) par unité de puissance électrique consommée (en W). Les LED bleues ont une efficacité interne nominale de l'ordre de 75 lm/W ; les LED rouges, environ 155 lm/W ; et les LED ambre, 500 lm/W. En tenant compte des pertes dues à la réabsorption interne, l'efficacité lumineuse est de l'ordre de 20 à 25 lm/W pour les LED ambre et vertes. Cette définition de l'efficacité est appelée efficacité externe et est analogue à la définition de l'efficacité généralement utilisée pour d'autres types de sources lumineuses.