Qu'est-ce que la diode électroluminescente : fonctionnement et ses applications
La LED est une source lumineuse à semi-conducteur dotée de deux conducteurs. Une diode électroluminescente-a été inventée en 1962 par Nick Holonyak alors qu'il était employé par General Electric. La LED est un type unique de diode dont les propriétés électriques sont comparables à celles d'une diode à jonction PN. Ainsi, la LED permet à l’électricité de circuler dans un sens tout en la bloquant dans l’autre. Moins de 1 mm2 est tout ce que la LED occupe. Les LED sont utilisées dans une variété de projets électriques et électroniques. Le fonctionnement de la LED et ses utilisations seront abordés dans cet article.
Une diode électroluminescente : qu’est-ce que c’est ?
Une diode à jonction p-n sert de diode électroluminescente-. Il s'agit d'une forme unique de semi-conducteur et d'une diode particulièrement dopée. Une diode électroluminescente-est un appareil qui émet de la lumière lorsqu'il est polarisé en direct.
Deux petites flèches qui indiquent l'émission de lumière distinguent le symbole LED du symbole diode, c'est pourquoi on l'appelle LED (diode électroluminescente-diode électroluminescente). La LED a deux bornes : la cathode (-) et l'anode (+). (-).
Le symbole LED Construction du symbole LED
La construction des LED est assez simple car elle repose sur le dépôt de trois couches de matériau semi-conducteur sur un substrat. Ces trois couches sont placées les unes sur les autres, la couche supérieure étant une couche de type P-, la couche intermédiaire étant une couche active et la couche inférieure étant une couche de type N-. La structure permet de voir les trois zones de matériau semi-conducteur. Dans la structure, des trous sont présents dans la région de type P-, des élections sont présentes dans la région de type N- et les trous et les électrons sont présents dans la région active.
La LED est stable car il n’y a pas de flux d’électrons ou de trous lorsqu’aucune tension n’est fournie. La LED devient polarisée en direct dès que la tension est fournie, provoquant le déplacement des électrons de la région N-et des trous de la région P-dans la zone active. La région d'épuisement est un autre nom pour cette zone. La lumière peut être produite par recombinaison de charges de polarité puisque les porteurs de charge, tels que les trous, ont une charge positive tandis que les électrons ont une charge négative.
Quel est le processus de la diode électroluminescente ?
Nous appelons communément une diode électroluminescente-diode. Les électrons et les trous circulent rapidement à travers la jonction lorsque la diode est polarisée en direct, et ils se combinent et s'écartent continuellement. Il se combine avec les trous au moment où les électrons passent du silicium de type n- au silicium de type p-, puis disparaît.
Oleg Losev, un inventeur russe, a développé la première LED en 1927 et a publié une partie des fondements théoriques de ses recherches.
Le professeur Kurt Lechovec a testé les hypothèses des Losers en 1952 et a fourni une explication des premières LED.
La première LED verte a été créée en 1958 par Rubin Braunstein et Egon Loebner.
Nicholas Holonyak a créé une LED rouge en 1962. Ainsi, la première LED est fabriquée.
Le premier ordinateur à utiliser des LED sur un circuit imprimé était un modèle IBM de 1964.
Hewlett Packard (HP) a introduit les LED dans les calculatrices en 1968.
Une LED bleue a été créée par Jacques Pankove et Edward Miller en 1971.
L'ingénieur électricien M. George Crawford a créé la LED jaune en 1972.
Une LED bleue contenant du magnésium et des normes futures a été créée en 1986 par Walden C. Rhines et Herbert Maruska de l'Université de Stafford.
Hiroshi Amano et le physicien Isamu Akaski ont créé un nitrure de gallium doté d'excellentes LED bleues en 1993.
Shuji Nakamura, ingénieur électricien, a créé la première LED bleue à haute luminosité grâce aux avancées d'Amanos & Akaski, qui ont accéléré le développement des LED de couleur blanche.
Des LED de couleur blanche coûtant entre 80 et 100 £ par ampoule ont été utilisées à des fins résidentielles en 2002.
Les lampes LED ont gagné en popularité dans les entreprises, les hôpitaux et les écoles en 2008.
Les principales sources de lumière en 2019 sont les LED ; il s'agit d'une avancée remarquable puisque les LED peuvent désormais être utilisées pour éclairer divers endroits, notamment les maisons, les bureaux, les hôpitaux et les écoles.
Circuit de diode électroluminescente de polarisation
La majorité des LED ont des spécifications de tension comprises entre 1 et 3 volts, tandis que les courants nominaux directs se situent entre 200 et 100 mA.
Le biais d'une LED
La LED fonctionne correctement si une tension comprise entre 1 et 3 volts lui est appliquée puisque le flux de courant indique que la tension est dans la plage de fonctionnement. De la même manière, si une LED reçoit une tension supérieure à sa tension de fonctionnement, le flux de courant élevé entraînera la défaillance de la zone d'appauvrissement. Ce flux de courant élevé et imprévu va détruire le gadget.
En connectant une résistance en série avec la source de tension et une LED, cela peut être évité. Les niveaux de courant de sécurité pour les LED vont de 200 mA à 100 mA, tandis que les tensions nominales de sécurité pour les LED vont de 1 V à 3 V.
Ici, la résistance qui est positionnée entre la source de tension et la LED est appelée résistance de limitation de courant car cette résistance régule le flux de courant, sinon la LED pourrait la tuer. Cette résistance est donc indispensable pour sécuriser la LED.
L'équation mathématique du flux de courant via la LED est
SI=Vs – VD/R
Où,
"SI" le courant va vers l'avant
Source de tension 'Vs'
La chute de tension aux bornes de la-diode électroluminescente est désignée par "VD".
Rs est une résistance qui limite le flux de courant.
la chute de tension nécessaire pour franchir la barrière de la région d'appauvrissement. Lorsque la chute de tension de la diode Si ou Ge est de 0,3 V ou moins, la chute de tension de la LED sera comprise entre 2 et 3 V.
Contrairement aux diodes Si ou Ge, la LED peut fonctionner à haute tension.
Par rapport aux diodes au silicium ou au germanium, les diodes électroluminescentes- nécessitent plus d'énergie pour fonctionner.
Types de-diodes électroluminescentes
Il existe de nombreuses variétés de-diodes électroluminescentes, dont certaines sont répertoriées ci-dessous.
Arséniure de gallium infrarouge-rouge (GaAs) et phosphure d'arséniure de gallium rouge à infrarouge-orange (GaAsP)
LED rouges, orange-rouges, orange et jaunes à haute luminosité-en aluminium-arséniure de gallium-phosphore (AlGaAsP)
Phosphate de gallium rouge, jaune et vert (GaP)
Le vert est la couleur du phosphure d'aluminium et de gallium (AlGaP), le vert émeraude est la couleur du nitrure de gallium (GaN) et le bleu est la couleur du nitrure de gallium et d'indium (GaInN).
Comme substrat, du carbure de silicium (SiC) de couleur bleue
Séléniure de zinc bleu (ZnSe) et nitrure d'aluminium et de gallium ultraviolet (AlGaN)
Principe de fonctionnement des LED
La théorie quantique sert de base au fonctionnement de la diode électroluminescente-. Selon la théorie quantique, le photon libère de l’énergie lorsque l’électron passe d’un état d’énergie supérieur à un état d’énergie inférieur. La différence d'énergie entre ces deux niveaux d'énergie est égale à l'énergie du photon. Lorsque l'état de polarisation directe de la diode à jonction PN- est atteint, le courant traverse la diode.
Principe de fonctionnement des LED
Le flux de trous dans le sens opposé du courant et le flux d’électrons dans le sens du courant sont à l’origine de la circulation du courant dans les semi-conducteurs. Ainsi, une recombinaison se produira suite au mouvement de ces porteurs de charge.
Les électrons de la bande de conduction descendent vers la bande de valence, en fonction de la recombinaison. L'énergie électromagnétique est libérée par les électrons sous forme de photons lorsqu'ils se déplacent d'une bande à une autre, et l'énergie des photons est égale à l'espace énergétique interdit.
Prenons la théorie quantique comme exemple. Selon cette théorie, l’énergie d’un photon est égale à la somme de sa fréquence et de la constante de Planck. La formule mathématique s'affiche.
Éq=hf
où est appelée constante de Planck et la vitesse du rayonnement électromagnétique, désignée par le symbole c, est égale à la vitesse de la lumière. Comme af= c/, la relation entre la fréquence du rayonnement et la vitesse de la lumière. L’équation précédente donnera une longueur d’onde de rayonnement électromagnétique où
Éq=il / λ
La longueur d'onde du rayonnement électromagnétique est inversement proportionnelle à l'espace interdit, selon l'équation ci-dessus. En général, l'état et les bandes de valence des semi-conducteurs en silicium et en germanium sont tels que le rayonnement complet des ondes électromagnétiques lors de la recombinaison prend la forme d'un rayonnement infrarouge. Les longueurs d’onde infrarouges nous sont invisibles car elles se situent en dehors de la portée de la lumière visible.
Étant donné que les semi-conducteurs au silicium et au germanium sont des semi-conducteurs à espacement indirect plutôt que des semi-conducteurs à espacement direct, le rayonnement infrarouge est souvent appelé chaleur. Le niveau d'énergie le plus élevé de la bande de valence et le niveau d'énergie minimum de la bande de conduction n'existent cependant pas lorsque des électrons sont présents dans des semi-conducteurs à intervalle direct. En conséquence, l’impulsion de la bande électronique variera lors de la recombinaison des électrons et des trous ou de la migration des électrons de la bande de conduction vers la bande de valence.
LED lumineuses
Il existe deux méthodes pour produire des LED. Dans la première méthode, les puces LED rouges, vertes et bleues sont combinées dans un seul boîtier pour produire de la lumière blanche, tandis que la phosphorescence est utilisée dans la seconde méthode. L'époxy entourant la fluorescence du phosphore peut être additionné, et le dispositif LED InGaN activera ensuite la LED en utilisant un rayonnement de courte longueur d'onde -.
Pour créer de multiples sensations de couleurs, appelées couleurs additives primaires, différentes lumières de couleur, telles que les lumières bleues, vertes et rouges, sont combinées en quantités variables. La lumière blanche est créée en combinant uniformément ces trois intensités lumineuses.
Néanmoins, pour obtenir cette combinaison à l'aide d'une combinaison de LED vertes, bleues et rouges, une architecture électro-optique complexe pour gérer la combinaison et la diffusion de différentes couleurs est nécessaire. De plus, cette méthode peut s’avérer difficile en raison des variations de teinte des LED.
Une puce LED avec un revêtement au phosphore alimente la majorité de la gamme de produits LED blanches. Lorsque ce revêtement est exposé à un rayonnement ultraviolet au lieu de photons bleus, une lumière blanche est produite. La même théorie s’applique également aux lampes fluorescentes ; une décharge électrique à l’intérieur du tube émettra des UV, ce qui fera clignoter le phosphore en blanc.
Bien que cette technique de LED puisse produire diverses teintes, les écarts peuvent être régulés par filtrage. À l'aide de quatre coordonnées chromatiques précises proches du centre du diagramme CIE, les appareils à LED blanches-sont filtrés.
Toutes les coordonnées de couleur possibles dans la courbe en fer à cheval sont affichées dans le diagramme CIE. Les teintes claires de l'arc sont étalées, mais le point blanc est au milieu. Quatre points affichés au milieu du graphique peuvent être utilisés pour représenter la couleur de sortie de la LED blanche. Les quatre coordonnées graphiques sont d'un blanc presque pur, mais ces LED ne fonctionnent généralement pas aussi bien qu'une source de lumière standard pour éclairer les lentilles colorées.
Ces LED sont particulièrement avantageuses pour les lentilles blanches, autrement transparentes, avec un rétroéclairage opaque. Les LED blanches deviendront sans aucun doute de plus en plus populaires en tant que source d’éclairage et indicateur tant que cette technologie continuera à se développer.
Efficacité brillante
Le flux lumineux produit pour chaque unité de LED est mesuré en lm, tandis que la consommation électrique est mesurée en W. Les LED rouges ont 155 lm/W, les LED oranges ont 500 lm/W et les LED bleues ont une efficacité interne nominale de 75 lm/W. Les pertes peuvent être considérées comme dues à une réabsorption interne- ; l'efficacité lumineuse des LED vertes et oranges est comprise entre 20 et 25 lm/W. Cette notion d'efficacité, également appelée efficacité externe, est comparable à la notion d'efficacité généralement utilisée pour d'autres types de sources lumineuses, comme les LED multicolores.
Source de lumière à diode dans de nombreuses couleurs
Les LED multicolores sont des-diodes électroluminescentes qui, lorsqu'elles sont connectées en polarisation directe, créent une teinte et, lorsqu'elles sont connectées en polarisation inverse, produisent une autre couleur.
Ces LED possèdent en réalité deux jonctions PN-, et il est possible de les connecter en parallèle en connectant la cathode de l'une à l'anode de l'autre.
Lorsqu'elles sont polarisées dans une direction, les LED multicolores sont généralement rouges et lorsqu'elles sont polarisées dans la direction opposée, elles sont vertes. Cette LED produira une troisième couleur si elle est allumée très rapidement entre deux polarités. Étant rapidement commutée entre les polarités de polarisation, une LED verte ou rouge produira une lumière de couleur jaune.
Quelles sont les deux configurations différentes pour les LED ?
Deux émetteurs et COB similaires constituent les configurations LED de base.
L'émetteur est une puce unique qui est fixée à un dissipateur thermique avant d'être positionnée vers un circuit imprimé. Ce circuit imprimé évacue la chaleur de l'émetteur tout en fournissant simultanément de l'énergie électrique.
Les enquêteurs ont découvert que le substrat LED pouvait être retiré et que la puce unique pouvait être placée librement sur le circuit imprimé, contribuant ainsi à réduire les coûts et à améliorer l'uniformité de la lumière. Par conséquent, cette conception est connue sous le nom de COB (chip-on-board array).
Avantages et inconvénients des LED
Voici quelques avantages des-diodes électroluminescentes.
Les LED sont petites et ont un prix inférieur.
L'électricité est contrôlée à l'aide de LED.
A l'aide du microprocesseur, l'intensité de la LED peut varier.
longtemps
efficace en termes d'énergie
Pas d'échauffement avant-le match
Robuste
pas affecté par les températures glaciales
Excellent rendu des couleurs directionnel
Contrôlable et respectueux de l’environnement
Voici quelques-uns des inconvénients de la technologie LED.
Prix
sensibilité à la température
sensibilité à la température
Polarité électrique et qualité de l'éclairage
Sensibilité électrique
L’efficacité s’effondre
Résultat pour les insectes
Utilisations des-diodes électroluminescentes
Il existe de nombreuses utilisations des LED, dont certaines sont décrites ci-dessous.
Tant dans les ménages que dans les entreprises, les LED sont utilisées comme ampoules.
Les-diodes électroluminescentes sont utilisées dans les automobiles et les motos.
Le message est affiché à l'aide de ceux-ci sur les téléphones mobiles.
Des LED sont utilisées aux feux de signalisation.
En conséquence, cet article propose un aperçu de l'application et de la théorie de fonctionnement des circuits à diodes électroluminescentes-. J'espère que vous avez appris quelques faits fondamentaux et pratiques sur la diode électroluminescente-en lisant cet article.
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