Comment fonctionne un LED ?
Comment fonctionne un LED ?
Définition du LED
Un LED, ou Diode Électroluminescente, est défini comme un dispositif à semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu'il est électriquement alimenté par un processus appelé électroluminescence.
Fonctionnement d'un LED
Comme une diode ordinaire, la diode LED fonctionne lorsqu'elle est polarisée en avant. Dans ce cas, le semi-conducteur de type n est fortement dopé par rapport au type p, formant ainsi la jonction p-n. Lorsqu'elle est polarisée en avant, la barrière de potentiel se réduit et les électrons et les trous se combinent dans la couche de déplétion (ou couche active), émettant ou irradiant de la lumière ou des photons dans toutes les directions. Une figure typique ci-dessous montre l'émission de lumière due à la combinaison des paires électron-trou sous polarisation en avant.
L'émission de photons dans un LED est expliquée par la théorie des bandes d'énergie des solides, qui stipule que l'émission de lumière dépend du fait que le trou de bande du matériau soit direct ou indirect. Ce sont les matériaux semi-conducteurs qui ont un trou de bande direct qui émettent des photons. Dans un matériau à trou de bande direct, le bas du niveau d'énergie de la bande de conduction se trouve directement au-dessus du niveau d'énergie le plus élevé de la bande de valence sur le diagramme Énergie vs Moment (vecteur d'onde 'k').
Lorsque les électrons et les trous se recombinent, l'énergie E = hν correspondant à l'écart d'énergie △ (eV) s'échappe sous forme d'énergie lumineuse ou de photons, où h est la constante de Planck et ν est la fréquence de la lumière.
Trou de bande direct
Les matériaux à trou de bande indirect ne sont pas radiatifs, car le bas de leur bande de conduction ne s'aligne pas avec le haut de la bande de valence, convertissant la plupart de l'énergie en chaleur. Des exemples sont le Si, Ge, etc.
Trou de bande indirect
Un exemple de matériau qui a un trou de bande direct est l'arséniure de gallium (GaAs), un semi-conducteur composé utilisé dans les LED. Des atomes de dopants sont ajoutés au GaAs pour produire une large gamme de couleurs. Certains des matériaux utilisés dans les LED sont :
Aluminium Gallium Arsenide(AlGaAs) – infrarouge.
Gallium Arsenic Phosphide(GaAsP) – rouge, orange, jaune.
Aluminium Gallium Phosphide(AlGaP) – vert.
Indium gallium nitride (InGaN) – bleu, bleu-vert, UV proche.
Sélénide de zinc(ZnSe) – bleu.
Structure physique du LED
Le LED est structuré de telle manière que la lumière émise ne soit pas réabsorbée par le matériau. Il est donc assuré que la recombinaison électron-trou se produit à la surface.
La figure ci-dessus montre les deux façons différentes de structurer la jonction p-n du LED. La couche de type p est faite fine et est cultivée sur le substrat de type n. Les électrodes métalliques attachées de chaque côté de la jonction p-n servent de nœuds pour la connexion électrique externe. La jonction p-n du diode électroluminescente est encapsulée dans un boîtier transparent en forme de dôme afin que la lumière soit émise uniformément dans toutes les directions et que les réflexions internes soient minimisées.
La patte plus grande du LED représente l'électrode positive ou l'anode.
Des LED avec plus de 2 pattes sont également disponibles, telles que des configurations de 3, 4 et 6 broches pour obtenir plusieurs couleurs dans le même boîtier LED. Des affichages LED montés en surface sont disponibles qui peuvent être montés sur les PCB.
Les LED nécessitent généralement un courant de quelques dizaines de milliampères et ont besoin d'une résistance élevée en série en raison de leur chute de tension en avant plus élevée de 1,5 à 3,5 volts, comparée aux diodes ordinaires.
LEDs blanches ou lampes LED blanches
Les lampes, ampoules et éclairages de rue LED deviennent très populaires de nos jours en raison de l'efficacité très élevée des LED en termes de sortie lumineuse par unité de puissance d'entrée (en milliwatts), par rapport aux ampoules incandescentes. Pour l'éclairage général, la lumière blanche est préférée. Pour produire de la lumière blanche avec l'aide des LED, deux méthodes sont utilisées :
Mélange des trois couleurs primaires RVB pour produire de la lumière blanche. Cette méthode a une efficacité quantique élevée.
L'autre méthode consiste à revêtir un LED d'une couleur avec un phosphore d'une autre couleur pour produire de la lumière blanche. Cette méthode est commercialement populaire pour la fabrication d'ampoules LED et d'éclairages.
Applications des LED
Affichages électroniques tels que les OLED, micro-LED, points quantiques, etc.
En tant qu'indicateur LED.
Dans les télécommandes.
Éclairages.
Opto-isolateurs.
