Comment fonctionne une LED ?
Bien qu'elles soient utilisées dans de nombreux aspects de la vie moderne, comme l'éclairage de nos maisons, l'alimentation des écrans de smartphones et la direction de la circulation, les diodes électroluminescentes-(DEL) diffèrent des technologies d'éclairage plus conventionnelles comme les ampoules à incandescence ou fluorescentes en raison de la physique sophistiquée de leurs semi-conducteurs.LEDutiliser un processus appelé électroluminescence, qui consiste en l'émission de photons (particules lumineuses) lorsqu'un courant électrique traverse un matériau semi-conducteur spécialement conçu. Cela contraste avec les lampes à incandescence, qui produisent de la lumière en chauffant un filament, ou les lampes fluorescentes, qui utilisent du gaz et des rayons UV. Nous devons d’abord examiner les principes fondamentaux des semi-conducteurs, la conception d’une LED et la procédure séquentielle qui convertit l’électricité en lumière visible afin de comprendre comment cela se produit.
La base : bandes d'énergie et semi-conducteurs
Chaque LED est alimentée par un semi-conducteur, une substance qui conduit l'électricité moins bien que les conducteurs (comme le cuivre) mais mieux que les isolants (comme le verre). Les bandes d'énergie électronique-zones d'énergie que les électrons peuvent occuper-sont essentielles au comportement distinctif d'un semi-conducteur. Les électrons ont des niveaux d’énergie distincts dans tous les matériaux, mais dans les solides, ces niveaux se combinent pour former deux bandes principales : la bande de conduction et la bande de valence.
Les atomes du matériau sont maintenus ensemble dans une structure cristalline par les électrons de la bande de valence, qui sont fermement attachés aux atomes. La conductivité électrique est rendue possible par les électrons de la bande de conduction, qui circulent librement à travers la substance. La bande interdite, une gamme d’énergie que les électrons ne peuvent pas habiter, existe entre ces deux bandes. La taille de la bande interdite d'un matériau détermine s'il s'agit d'un isolant, d'un conducteur ou d'un semi-conducteur : les semi-conducteurs ont une petite bande interdite mesurable (les électrons peuvent traverser la bande interdite avec un petit apport d'énergie, comme un courant électrique), les conducteurs n'ont pas de bande interdite (les électrons se déplacent librement entre les bandes) et les isolants ont de très grandes bandes interdites (ce qui rend difficile pour les électrons de sauter vers la bande de conduction).
Le semi-conducteur utilisé dans les LED est « dopé », une procédure qui modifie les caractéristiques électriques du matériau en ajoutant des traces d'impuretés. Les semi-conducteurs de type n-et de type p-sont produits par dopage. Lorsque des éléments contenant des électrons supplémentaires, tels que le phosphore, sont dopés dans des semi-conducteurs de type N-, ils deviennent libres de se déplacer dans la bande de conduction et confèrent au matériau une charge négative nette. Les éléments contenant moins d'électrons, comme le bore, sont utilisés pour doper les semi-conducteurs de type P-. Il en résulte des « trous », ou des électrons manquants dans la bande de valence, qui fonctionnent comme des charges positives et peuvent traverser le matériau lorsque les électrons le remplissent. Une LED fonctionne grâce à la jonction p-n, qui est l'intersection de ces deux régions dopées.
La structure de la LED : du flux lumineux à la jonction P-N
La conception simple mais précise d'une LED maximise le rendement lumineux tout en réduisant les pertes d'énergie. Sa jonction p-n est située dans une fine couche de matériau semi-conducteur, généralement à base de gallium-, comme l'arséniure de gallium ou le nitrure de gallium. Le substrat, un matériau de base qui fournit un support et facilite la dissipation de la chaleur, est l'endroit où cette couche semi-conductrice est fixée. Ceci est important car une surchauffe peut réduire la durée de vie d'une LED.
Une électrode est attachée à la région de type p- (l'anode, une borne positive) et l'autre à la région de type n- (la cathode, une borne négative) au-dessus de la couche semi-conductrice. Un champ électrique est produit aux bornes de la jonction p-n lorsqu'une tension est appliquée aux bornes de ces électrodes (la cathode étant négative et l'anode étant positive). Les électrons libres du semi-conducteur de type n- sont poussés vers la jonction par ce champ, tandis que les trous du semi-conducteur de type p- sont dessinés dans la même direction.
Pour que la lumière générée à la jonction p-n s'échappe, la couche semi-conductrice doit être transparente ou semi-transparente (ou avoir une couche réfléchissante sur un côté). ModerneLEDutilisent des matériaux comme le nitrure de gallium (GaN), qui sont transparents à la lumière visible et garantissent que la majorité des photons atteignent la surface, contrairement aux premières LED, qui utilisaient fréquemment des matériaux semi-conducteurs opaques limitant le flux lumineux. La jonction p-n du semi-conducteur est l'endroit où se déroule le processus principal de génération de lumière-, bien que certaines LED aient également une lentille ou un revêtement pour focaliser la lumière ou changer sa couleur.
Étape 1 : Utiliser la recombinaison de trous et la tension d'électrons-
Une tension externe donnée aux électrodes de la LED lance le processus d'émission de lumière en établissant une polarisation directe, qui est la bonne direction du flux de courant pour la LED.DIRIGÉfonctionner; La polarisation inverse, en revanche, arrête le courant et ne produit aucune lumière. Les électrons libres de la zone de type n-sont accélérés dans la région de type p-, et les trous de la région de type p-sont accélérés dans la région de type n-par le champ électrique à travers la jonction p-n lorsqu'une polarisation directe est appliquée.
Ces électrons et trous finissent par se réunir au niveau ou à proximité de la jonction p-n lorsqu'ils se déplacent dans la même direction. Un électron libre de la bande de conduction de la zone de type n-"tombe" dans le trou lorsqu'il entre en collision avec un trou de la bande de valence de la région de type p-, passant d'un état d'énergie plus élevé dans la bande de conduction à un niveau d'énergie inférieur dans la bande de valence. L’électron et le trou s’annulent au cours de cette transition, appelée recombinaison, et l’énergie supplémentaire qu’ils perdent est émise sous forme de photon.
La taille de la bande interdite du semi-conducteur affecte directement l’énergie de ce photon, qui donne sa couleur à la lumière. Un photon avec une énergie plus élevée (et une longueur d'onde plus courte, comme la lumière bleue ou violette) est créé lorsqu'un électron se recombine avec un trou et perd plus d'énergie en raison d'une bande interdite plus large. Un photon avec une longueur d’onde plus longue, comme la lumière rouge ou orange, et moins d’énergie est produit par une bande interdite plus petite.
Par exemple:
En raison de sa bande interdite étroite, l'arséniure de gallium (GaAs) émet une lumière rouge d'une longueur d'onde d'environ 650 nm. En raison de sa bande interdite plus large, le nitrure de gallium (GaN) émet une lumière bleue ou violette d'une longueur d'onde d'environ 450 nm.
Les fabricants peuvent modifier la bande interdite pour produire des LED qui génèrent de la lumière verte, jaune ou même blanche en combinant divers matériaux semi-conducteurs (tels que le nitrure de gallium-indium ou InGaN) (plus d'informations sur les LED blanches ci-dessous).
Étape 2 : Efficacité et extraction de la lumière
Certains des photons générés par la recombinaison sont absorbés par le matériau semi-conducteur lui-même, tandis que d'autres se reflètent sur les électrodes ou la jonction p-n et sont libérés sous forme de chaleur. Tous ces photons ne quittent pas leDIRIGÉcomme lumière visible. Les concepteurs de LED emploient un certain nombre de stratégies pour améliorer « l'extraction de la lumière » afin d'optimiser l'efficacité :
Substrats transparents : la majorité de la lumière était piégée par les substrats opaques (tels que le germanium) utilisés dans les premières LED. Des substrats transparents, tels que le carbure de silicium ou le saphir, sont utilisés dans les LED modernes pour permettre aux photons d'atteindre la surface.
Surfaces texturées : pour réduire la quantité de lumière réfléchie dans le matériau, la surface du semi-conducteur est fréquemment gravée avec de minuscules motifs, tels que des bosses ou des rainures. En modifiant l’angle selon lequel la lumière frappe la surface, cela augmente la probabilité qu’elle s’échappe plutôt que de rebondir.
Couches réfléchissantes : L'arrière du semi-conducteur est recouvert d'une fine couche de réflexion, souvent composée de métal comme l'aluminium ou l'argent. Cette couche augmente la quantité de lumière qui quitte la LED en réfléchissant les photons qui autrement seraient perdus à travers le substrat vers l'avant de la LED.
Bien que beaucoup moins qu’avec les lampes à incandescence, une certaine énergie est quand même perdue sous forme de chaleur malgré ces progrès. Seulement 10 à 25 % de l'énergie est perdue sous forme de chaleur dans les LED, 75 à 90 % de l'énergie étant transformée en lumière, contre 90 à 95 % dans les ampoules à incandescence. En raison de leur excellente efficacité, les LED consomment beaucoup moins d’énergie que les lampes conventionnelles.
Comment fonctionnent les LED blanches : une situation unique
La majorité des LED n'émettent qu'une seule couleur, ou lumière monochromatique, mais les LED blanches, qui sont utilisées dans les phares, les téléviseurs et l'éclairage domestique, nécessitent une stratégie différente car il n'existe pas de matériau semi-conducteur avec une bande interdite qui crée directement de la lumière blanche. Les LED blanches utilisent plutôt l’une des deux techniques principales :
Conversion du Phosphore : Un bleuDIRIGÉ(fabriqué à partir de nitrure de gallium) recouvert de phosphore jaune-une substance qui absorbe la lumière d'une longueur d'onde et émet la lumière d'une autre-est utilisée dans la technique la plus populaire. Le phosphore absorbe une partie des photons bleus émis par la LED bleue et réémet-des photons jaunes. Nos yeux interprètent les photons bleus restants comme de la lumière blanche une fois qu'ils se combinent avec les photons jaunes. Les fabricants ajoutent des traces de phosphores rouges ou verts au revêtement pour modifier la température de couleur, ou la « chaleur » ou la « fraîcheur », de la lumière blanche. Par exemple, l’ajout de lumière bleue supplémentaire produit une lumière blanche froide (5 000 K à 6 500 K), tandis que l’ajout de phosphore rouge produit une lumière blanche chaude (2 700 K à 3 000 K).
Mélange RVB : cette technique moins populaire combine trois LED différentes -rouge, verte et bleue- dans un seul boîtier. Les trois couleurs se combinent pour créer une lumière blanche (ou toute autre teinte du spectre visible) en faisant varier la luminosité de chaque LED. Bien que cette technique soit plus coûteuse que la conversion du phosphore, elle est utilisée dans des situations nécessitant une gestion exacte des couleurs, comme l'éclairage de scène ou les écrans haut de gamme.
Les distinctions entre les LED et l'éclairage conventionnel
Connaître le fonctionnement des LED permet de comprendre plus facilement pourquoi elles fonctionnent mieux que les ampoules fluorescentes et à incandescence dans presque toutes les catégories :
Efficacité énergétique : les LED utilisent l'électroluminescence, qui est naturellement efficace ; contrairement aux lampes à incandescence, qui dépensent de l'énergie pour chauffer un filament, les lampes fluorescentes ne gaspillent pas d'énergie en produisant un rayonnement UV.
Longue durée de vie : les LED ne brûlent pas facilement car elles ne comportent pas de pièces mobiles ni de filaments délicats. Contrairement aux lampes à incandescence, qui ont une durée de vie de 1 000 à 2 000 heures, les LED ont une durée de vie de 50 000 à 100 000 heures en raison de la dégradation extrêmement progressive du matériau semi-conducteur au fil du temps.
Allumage/extinction instantané : contrairement aux lampes fluorescentes, qui nécessitent quelques secondes pour s'allumer complètement, les LED n'ont pas de temps de préchauffage-et s'activent instantanément pour atteindre leur pleine luminosité.
Durabilité : parce queLEDsont des composants électroniques-à semi-conducteurs, ils peuvent résister aux chocs, aux vibrations et aux températures élevées, ce qui les rend parfaits pour les applications extérieures ou les environnements difficiles (comme les automobiles ou les usines).
L'avenir de la technologie LED
De nouveaux développements augmentent le potentiel de la technologie LED à mesure que les chercheurs et les ingénieurs continuent de l'améliorer. Par exemple:
QLED, ou LED à points quantiques : elles améliorent la luminosité et la précision des couleurs en utilisant des points quantiques, qui sont de petites particules semi-conductrices. Les chercheurs tentent de rendre les QLED plus économes en énergie-pour l'éclairage général, et on les retrouve actuellement dans les téléviseurs-haut de gamme.
Micro LED : ces LED incroyablement petites, qui ne mesurent que quelques micromètres de diamètre, peuvent être regroupées en réseaux denses pour produire un éclairage flexible ou des écrans-haute résolution. Les futurs smartphones et téléviseurs devraient utiliser des micro LED au lieu des OLED en raison de leur durée de vie plus longue et de leur meilleur rendement.
LED en pérovskite : comparée aux matériaux conventionnels à base de gallium-, la pérovskite est un nouveau type de matériau semi-conducteur moins coûteux à produire. Les chercheurs tentent d’augmenter la stabilité des LED pérovskites à des fins commerciales, car elles se sont révélées prometteuses en fournissant une lumière vive et efficace.
En conclusion
LEDsont des dispositifs très simples constitués d'un semi-conducteur dopé avec une jonction ap-n qui utilise la recombinaison d'électrons-trous pour transformer l'énergie électrique en lumière. Ils font partie des technologies d'éclairage les plus efficaces et les plus adaptables jamais développées, mais leur simplicité cache la complexité de leur construction, qui comprend tout, depuis l'ingénierie de l'extraction de la lumière jusqu'à la régulation exacte de la bande interdite. Connaître le fonctionnement des LED nous permet de comprendre à la fois la science sophistiquée qui les sous-tend ainsi que leurs avantages utiles (durée de vie plus longue, coûts énergétiques moins élevés). À mesure que la technologie LED se développe, elle contribuera probablement encore plus à réduire la consommation d'énergie mondiale, à stopper le changement climatique et à influencer la conception de l'éclairage à l'avenir, démontrant que parfois les avancées les plus significatives proviennent des principes scientifiques les plus fondamentaux.
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