Diode électroluminescente

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Une diode électroluminescente, couramment abrégée sous le sigle DEL, et parfois 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 DEL produit un rayonnement monochromatique incohérent à partir d'une transformation d'énergie. Elle fait partie de la famille des composants optoélectroniques.

Sommaire 1 Historique 2 Les différentes familles 2.1 Classement selon la puissance 2.2 Classement selon le spectre d'émission 3 Mécanisme d'émission 4 Techniques de fabrication 5 Efficacité lumineuse 6 Caractéristiques 6.1 Forme 6.2 Luminosité 6.3 Couleurs 6.4 Points forts et faiblesses 6.4.1 Avantages 6.4.2 Inconvénients 7 Utilisations 7.1 DEL ordinaires 7.2 DEL blanches 8 Branchement 9 Évolution prévisible des performances des diodes électroluminescentes[4] 10 Notes 10.1 Bibliographie 11 Voir aussi 11.1 Liens internes 11.2 Liens externes

[modifier] Historique

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 Nichia, suivie par la diode blanche, point de départ de nouvelles applications majeures : éclairage, écrans de téléviseurs et d'ordinateurs.

[modifier] Les différentes familles

Il existe plusieurs manières de classer les DEL :

[modifier] Classement selon la puissance

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 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.

[modifier] 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 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.

[modifier] Mécanisme d'émission

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 . 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 (E_f) la transition :
hν = E_i − E_f (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.

[modifier] 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 Si ou du Zn. Les fabricants proposent de nombreux types de diodes aux spécificités différentes. On peut citer le type le plus répandu : les diodes à l'GaAs, ce sont les plus économiques et ont un usage général. Bien qu'elles nécessitent une tension directe plus élevée, les diodes à l'GaAlAs 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) GaAlAs 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.

[modifier] Efficacité lumineuse

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, elle dépasse parfois les 100 lm/W. 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. 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.

[modifier] Caractéristiques

[modifier] Forme

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 1W ci-contre est assez représentative.

[modifier] Luminosité

• 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 DELs 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.

• Des DEL dites super lumineuses ont vu le jour à la fin du XX^e siècle. Au début du XXI^e siècle, des rendements aux alentours de 130 lumens par watt sont atteints avec ces types de technologies. Pour comparaison, les ampoules à filament de 60 W atteignent 14 lumens par watt.

[modifier] Couleurs

La couleur d'une DEL peut être générée de différentes manières^[1] :

• coloration due à la longueur d'onde du semiconducteur (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 semiconducteur 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 DEL est assez variable en fonction du modèle.

[modifier] Points forts et faiblesses

(voir aussi Lampe à diode électroluminescente#Points forts et faiblesses)

[modifier] 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) due à un très bon rendement.
• Durée de vie beaucoup plus longue qu'une lampe à incandescence classique ou fluorescente ( 50 000 à 100 000 heures contre 6000 à 15 000 heures pour les fluorescentes ).
• Taille beaucoup plus petite que les lampes classiques. En assemblant plusieurs DEL, 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 DEL 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 distances (optocoupleurs) ou longues (fibres optiques). les DEL atteignent immédiatement leur intensité lumineuse nominale.
• Vu leur puissance, les DEL 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 DEL sera fortement endommagée voire détruite du fait de l'échauffement. En effet, une DEL convertit environ 20 % de l'énergie électrique en lumière, le reste étant dégagé sous forme de chaleur.

[modifier] Inconvénients

• Les DEL dites blanches sont généralement des DEL bleues recouvertes de phosphore, 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).
• Désavantages propres aux DEL de forte puissance :
  • Le rendement lumineux est plus faible.
  • La durée de vie est plus faible.
  • Les DEL bleues ainsi que les DEL 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 flashes à base de DEL.
• 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 DEL 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^[3].

[modifier] Utilisations

[modifier] DEL 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 (DEL infrarouges)
• Cellules photoélectriques (DEL infrarouge)
• 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)

[modifier] DEL blanches

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

• DEL 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).
• Eclairage stroboscopique
• En 2007, Audi et Lexus devraient bénéficier de dérogations de la Commission européenne pour commercialiser des modèles munis de feux avant à base de DEL.
• Plusieurs villes remplacent leur éclairage public par des DEL dans le but de diminuer leur facture d'électricité et la pollution lumineuse du ciel (éclairage dirigé vers le bas). Le recours aux DEL 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 DEL 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 (ou lancer de DEL) qui consiste à égayer les lieux publics en ajoutant de la couleur sur les surfaces magnétiques. Pour ceci, on combine une DEL, une pile au lithium et un aimant, et on lance l'ensemble sur une surface magnétique.
• Depuis peu, les DEL 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 DEL 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 DEL dégagent plus de chaleur.

[modifier] 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 DEL 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.

[modifier] Évolution prévisible des performances des diodes électroluminescentes^[4]

Sujet	2010	2020	2030
Flux unitaire maximum (lm)	135	600	1500
Rendement maximum (lm/W)	50	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

[modifier] Notes

[modifier] Bibliographie

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

[modifier] Voir aussi

[modifier] Liens internes

• Diode électroluminescente organique (OLED)
• PHOLED
• Lampe à diode électroluminescente
• Luxeon

[modifier] Liens externes

• (fr) www.led-fr.net
• (en) LED professional
• (fr) DEL blanches

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