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Diodes électroluminescentes
Une diode électroluminescente, couramment abrégée sous le sigle DEL, et de plus en plus souvent sous l'anglicisme LED (pour light-emitting diode), est un composant électronique, une diode, capable d'émettre de la lumière lorsqu'il est parcouru par un courant électrique.
Une LED produit un rayonnement monochromatique incohérent à partir d'une transformation d'énergie. Elle fait partie de la famille des composants optoélectroniques.
Nick Holonyak Jr. (né en 1928) est le premier à avoir créé une LED 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 Nichia, suivie par 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 LED.
Classement selon la puissance
- Les LED 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. Souvent méconnues du grand public, elles sont pourtant en plein essor et leurs applications sont souvent ignorées : flashes de téléphones portables et même éclairage général. Le principe de fonctionnement est certes le même, mais des différences importantes existent entre les deux familles. Il en résulte qu'elles ont chacune leur champ d'application propre.
Classement selon le spectre d'émission
Une autre manière de les classer est la nature de leur spectre. La raison de la distinction réside dans le fait que les LED blanches peuvent servir à éclairer, ce qui est l'une des applications phares du futur (proche) :
- Les LED de couleur : leur spectre est quasiment monochromatique puisque très fin (il a la forme d'un pic à l'analyseur de spectre).
- Les LED blanches : leur spectre est constitué de plusieurs longueurs d'ondes.
Mécanisme d'émission
C'est lors de la recombinaison d'un électron et d'un trou dans un semi-conducteur 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 (Ei) et après (Ef) la transition :
hí = 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 LED est la zone P car c'est la plus radiative.
L'anode et la cathode d'une diode électroluminescente. Les signes indiquent la polarisation (courant conventionnel) lorsque la diode est utilisée en sens direct.
Techniques de fabrication
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.