Diode electroluminescente

Diode électroluminescente

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Une diode électroluminescente, abrégée sous les sigles DEL ou, plus couramment, 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 diode électroluminescente 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

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 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

Il existe plusieurs manières de classer les diodes électroluminescentes :

Classement selon la puissance

La première est un classement par puissance :

  • Les diodes électroluminescentes de faible puissance < 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 > W. Souvent méconnues du grand public, elles sont pourtant en plein essor et leurs applications sont souvent ignorées : flash de téléphones portables, éclairage domestique, éclairage de spectacle... 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

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) :

  • Les chromatiques : l'énergie est concentré sur une plage étroite de longueur d'onde (20 à 40 nm). Ces sources ont un spectre quasiment monochromatique.
  • Les blanches : l'énergie est répartie dans le visible sur toute la gamme de longueurs d'onde 380-780 nm environ.

Mécanisme d'émission

Gros-plan d’une diode électroluminescente
L’anode et la cathode d’une LED. 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 = EiEf (eV)
Une diode électroluminescente est une jonction P-N 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.

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.

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 permet de 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, généralement compris entre 20 et 129 lm/W[1],et atteigne en laboratoire les 160 lm/W[2]. 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 alors que les vertes peuvent avoir une efficacité lumineuse bien 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 intégralement 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 300 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 mais aussi à celui 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 diodes électroluminescentes n’émettent quasiment pas d’infrarouge.

Le rendement lumineux dépend de la conception de la LED. 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 diodes électroluminescentes 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 LED quasiment sans dômes.

Caractéristiques

Forme

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 LED de puissance ont, elles, des formes plus homogènes : la luxeon 1 W ci-contre est assez représentative.

L'enveloppe transparente, ou capot, est généralement en résine epoxy, parfois colorée ou recouverte de colorant.

Luminosité

  • L’intensité lumineuse générale des diodes électroluminescentes est assez faible, mais suffisante pour la signalisation sur tableau, ou bien les feux de circulation (feux tricolores, passages piétons). Les 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 LED (quelques dizaines de milliers).

Les LED 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 diode électroluminescente
  • Des LED 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

La couleur d’une diode électroluminescente peut être générée de différentes manières[3] :

  • 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 luminophores) ;
  • coloration par plusieurs émissions de longueur d’onde différentes : les diodes électroluminescentes polychromatiques. Elles permettent notamment de proposer une vaste gamme de couleurs[4].

Voici quelques colorations en fonction du 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 < λ < 760 1,63 < ΔV < 2,03 arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs)
phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Orange 590 < λ < 610 2,03 < ΔV < 2,10 phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Jaune 570 < λ < 590 2,10 < ΔV < 2,18 phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Vert 500 < λ < 570 2,18 < ΔV < 2,48 nitrure de gallium (GaN)
phosphure de gallium (GaP)
Bleu 450 < λ < 500 2,48 < ΔV < 2,76 séléniure de zinc (ZnSe)
nitrure de gallium/indium (InGaN)
carbure de silicium (SiC)
Violet 400 < λ < 450 2,76 < ΔV < 3,1
Ultraviolet λ < 400 ΔV > 3,1 diamant (C)
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 en fonction du modèle.

Points forts et faiblesses

Avantages

  • Facilité de montage sur un circuit imprimé, traditionnel ou CMS
  • Excellente résistance mécanique (chocs, écrasement, vibrations)
  • Faible à très faible consommation électrique (quelques dizaines de milliwatts) grâce à un très bon rendement.
  • Durée de vie beaucoup plus longue qu’une lampe à incandescence classique ou même qu’une lampe fluorescente (50 000 à 100 000 heures contre 6 000 à 15 000 heures pour les fluorescentes et au maximum un millier d’heures pour les lampes à incandescence).
  • Taille beaucoup plus petite que les lampes classiques. En assemblant plusieurs LED, on peut réaliser des éclairages avec des formes novatrices.
  • Fonctionnement en très basse tension (TBT), gage de sécurité et de facilité de transport. Il existe pour les campeurs des lampes de poche à LED actionnées par une simple dynamo à main (« lampe à manivelle ») de mouvement lent.
  • Atout non négligeable en matière de sécurité, par rapport aux systèmes lumineux classiques, leur inertie lumineuse est quasiment nulle. Elles s’allument et s’éteignent en un temps très court, ce qui permet l’utilisation en transmission de signaux à courte distance (optocoupleurs) ou longue (fibres optiques). Les LED atteignent immédiatement leur intensité lumineuse nominale.
  • Vu leur puissance, les LED classiques 5 mm ne chauffent presque pas et ne brûlent pas les doigts. Pour les montages de puissance supérieure à 1 W, il faut prévoir une dissipation de la chaleur sans quoi la diode sera fortement endommagée voire détruite du fait de l’échauffement. En effet, une diode électroluminescente convertit environ 20 % de l’énergie électrique en lumière, le reste étant dégagé sous forme de chaleur.

Inconvénients

  • Les LED dites blanches sont généralement des LED bleues recouvertes de luminophores, généralement du YAG:Ce (Yttrium Aluminium Garnet dopé au Cérium). Ce blanc est généralement froid et possède un mauvais indice de rendu de couleur (IRC). Toutefois, cet inconvénient est corrigé industriellement.
  • Désavantages propres aux LED de forte puissance :
    • Le rendement lumineux est plus faible.
    • Les LED bleues ainsi que les blanches contiennent un spectre bleu de forte intensité dangereux pour la rétine si leur rayonnement entre dans le champ de vision, même périphérique. Le problème se pose par exemple avec les flashs à base de diodes électroluminescentes.
  • La lumière bleue, même de faible intensité, présente dans une chambre à coucher pendant la nuit (par exemple, veille d’un appareil ou radio-réveil) perturbe le cycle du sommeil en diminuant la synthèse de la mélatonine.
  • En 2008, le prix à l’achat des LED reste de deux à quatre fois plus élevé que celui des lampes classiques, à luminosité égale mais devrait baisser rapidement compte-tenu du développement rapide des ventes[5].
  • La LED étant un semi-conducteur, elle est affectée par la température : plus elle chauffe, plus sa tension directe de jonction décroît, et son rendement lumineux se dégrade. Cela pose des problèmes de fiabilité si une mise en œuvre thermique adéquate n'est pas réalisée (pour les modèles de puissance).
  • La LED est une diode avant tout, la fabrication de la lumière est liée directement à la circulation des électrons dans sa jonction, et non à la tension présente aux bornes de la jonction. Ce fonctionnement impose une régulation en courant et non en tension si l'on veut avoir un effet prévisible, reproductible et sans risque de destruction (ou placement involontaire hors régime nominal) quelles que soient les dispersions du composant.

Utilisations

Diodes électroluminescentes ordinaires

  • Signalisation d’état d’appareils divers (lampes témoins en face avant ou sur le circuit, tableaux de bord de voitures, équipements de sécurité)
  • Signalisation routière, feux arrières de voitures ou de bicyclettes
  • Affichage alphabétique ou numérique d’appareils de mesure, de calculatrices, d’horloges
  • Affichages de niveaux de mesures (niveaux de cuves, VU-mètres)
  • Affichage statique ou dynamique de messages (journaux lumineux)
  • Optocoupleurs
  • Transmissions de signaux par fibre optiques
  • Télécommandes (LED infrarouges)
  • Cellules photoélectriques (LED infrarouges)
  • Faisceau laser pour les appareils de mesure
  • Faisceau laser pour la lecture et la gravure des CD et DVD
  • Éclairage invisible pour caméras de surveillance (dans l’infrarouge)
  • Luminaires et éclairage urbain (plus récemment), avec par exemple Los Angeles, première métropole qui remplace ses 140 000 ampoules d'éclairage urbain par des diodes électroluminescentes depuis 2009 (programme qui s'achèvera en 2014), ce qui devrait réduire de l'équivalent de 40 500 tonnes de carbone les émissions annuelles de cette ville (soit l'équivalent des émissions de 6 700 voitures). La ville pense aussi diminuer ses charges de maintenance avec au total une économie espérée de 48 millions de dollars en 7 ans sur la facture d'électricité de la ville.

Diodes électroluminescentes blanches

L’amélioration du rendement des LED permet de les employer en remplacement de lampes à incandescence ou fluorescence, à condition de les monter en nombre suffisant :

  • LED noyées dans le bitume pour la matérialisation des pistes la nuit ou par temps de brouillard.
  • Signalisation portative individuelle (piéton, cycliste).
  • Éclairages de secours
  • Éclairage de courte portée portatif.
  • Feux de signalisation automobile ou motocycliste (clignotant, veilleuses, feux de position).
  • Éclairage stroboscopique
  • Depuis 2007, Audi et Lexus bénéficient de dérogations de la Commission européenne pour commercialiser des modèles munis de feux avant à base de LED.
  • Plusieurs villes remplacent leur éclairage public par des LED dans le but de diminuer leur facture d’électricité et la pollution lumineuse du ciel (éclairage dirigé vers le bas). Le recours aux LED est aussi courant dans les feux tricolores. L’exemple de Grenoble est le plus souvent cité : la ville a réalisé son retour sur investissement en trois ans seulement. En effet, les LED permettent des économies d’énergie, mais ce sont surtout les coûts de maintenance qui baissent, du fait de leur robustesse.
  • Lampes de poche à piles ou accumulateur à génératrice de recharge incorporé.
  • Lampes de balisage des jardins alimentées par panneau solaire.
  • Depuis 2006, le groupe américain Graffiti Research Lab a lancé un mouvement nommé Led throwies (lancer de LED) qui consiste à égayer les lieux publics en ajoutant de la couleur sur les surfaces magnétiques. Pour ceci, on combine une LED, une pile au lithium et un aimant, et on lance l’ensemble sur une surface magnétique [1].
  • Depuis peu, les LED sont utilisées pour réaliser des écrans vidéo de très grande taille (plateaux TV salon dans des grands halls, stade…)
  • Le rétroéclairage de l’écran par des diodes électroluminescentes permet de fabriquer des écrans plus fins, plus lumineux, ayant une étendue colorimétrique plus importante et plus économes que son prédécesseur ACL à rétroéclairage par tube fluorescent (technologie CCFL). À noter que les constructeurs restent assez flous sur le fait que les LED dégagent plus de chaleur.

Branchement

Les diodes électroluminescentes sont polarisées : on tiendra compte de la polarité (schéma en haut de page). Il est toujours nécessaire de tenir compte de l’intensité maximale (typique : 10 à 30 mA pour une LED de signalisation) supportée par la diode et donc d’intercaler une résistance en série, calculée en fonction de 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 provoquée 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 donc d’augmenter le rendement du dispositif. Le courant maximal admissible sera, quant à lui, multiplié par le nombre de groupes de diodes en parallèle.

Évolution prévisible des performances des diodes électroluminescentes[6]

Sujet 2010 2020 2030
Flux unitaire maximum (lm) 135 600 1 500
Rendement maximum (lm/W) 129 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. CNSPWR70CSS-K1 specification
  2. Nichia Corp. claims white LED delivering 150 lumens/Watt efficiency, 22 décembre 2006, Nichia Corp. Press Release. Consulté le 3 décembre 2006
  3. (fr) Led Engineering Development - LEDs blanches : les différentes technologies[pdf]
  4. « Nous savons aujourd’hui produire des LED de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel et, même d’un très 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).
  5. (en) article du Nikkei en anglais du 17 décembre 2007
  6. Source : Ademe ; H. Lefebvre, 29 juin 2006

Bibliographie

  • Frank Wohlrabe, Guide pratique de l’infrarouge : télécommande, télémétrie, tachymétrie, Publitronic, 29 mai 2002, (ISBN 2866611284).

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