Diode électroluminescente

Une diode électroluminescente, abrégée sous les sigles DEL ou LED (de l'anglais light-emitting diode), est un composant opto-électronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Une diode électroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens (le sens passant, comme une diode classique, l'inverse étant le sens bloquant) de plus elle produit un rayonnement monochromatique ou polychromatique incohérent à partir de la conversion d’énergie électrique lorsqu'un courant la traverse. Elle compte plusieurs dérivées, principalement, l'OLED, l'AMOLED ou le FOLED (pour flexible oled). Les LED sont considérées, par beaucoup, comme une technologie d'avenir dans le domaine de l'éclairage général. En effet, on estime que d'ici à 2020, les LED pourraient représenter 75 % du marché de l'éclairage^[1].

Elles sont utilisées aussi dans la construction des écrans de télévision plats : pour le rétroéclairage des LCD, comme source d'illumination principale dans les écrans de télévision à LED.

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 Rendement lumineux 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 Diodes électroluminescentes ordinaires 7.1.1 Éclairage 7.1.2 Affichage 7.1.3 Source de lumière quasi monochromatique 7.2 Diodes électroluminescentes blanches 8 Branchement et alimentation électrique 9 Évolution prévisible des performances des diodes électroluminescentes[13] 10 Notes et références 11 Voir aussi 11.1 Bibliographie 11.2 Articles connexes 11.3 Liens externes

Historique

La première émission de lumière par un semi-conducteur date de 1907 et fut découverte par H. J. Round. Quelques années après, en 1927, O. V. Losev dépose le premier brevet de ce qui sera appelé, bien plus tard, une diode électroluminescente. Ce n’est qu’en 1962 que la première LED rouge est créée par Nick Holonyak Jr et S. Bevacqua. Durant quelques années, les chercheurs ont cru devoir se limiter à quelques couleurs telles que le rouge, le jaune ou le vert. Dans les années 90, les recherches, entre autres, de (en) Shuji Nakamura et Takashi Mukai de (en) Nichia, dans la technologie des semi-conducteurs InGaN permirent la création de LED bleue, et par conséquent de LED blanches, par l’utilisation couplée de LED bleue et de luminophore jaune ^[2]. Cette importante avancée fut le 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 < 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 > 2 W. Elles sont en plein essor et leurs applications sont de plus en plus connues du grand public : flash de téléphones portables, éclairage domestique, éclairage de spectacle, lampe de poche ou frontales... Le principe de fonctionnement est identique. Certaines différences significatives existent entre les deux familles, consacrées chacune à 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) ou l'invisible (principalement l'infrarouge). 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 concentrée 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.
• Les infrarouges : l'énergie est émise hors du spectre de la lumière visible, au-delà de 700 nm de longueur d'onde. Elles sont utilisées pour transmettre des signaux des télécommande ou de télémesure exploités par exemple dans la détection de position des consoles de jeux telles que la "Wii", servir d'éclairage pour les caméras infrarouge etc.

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 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 ^[3].

• 

  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

• 

  Fonctionnement d'une LED

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, selon les types de diodes, est variable, généralement compris entre 20 et 100 lm/W, et atteint en laboratoire les 160 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. Les bleues n’excèdent pas les 30 lm/W alors que les vertes peuvent avoir une efficacité lumineuse bien plus élevée comme de 100 lm/W^[4]. Les efforts colossaux effectués en recherche et développement pour les LED blanches leur ont permis d’être aussi efficaces (voire plus) que les LED de 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 250 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 LED blanches de dernière génération est supérieur à celui 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

Ce composant peut être encapsulé dans divers boitiers destinés 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. Ces types de LED sont également disponibles en version "multicœur" ou "multichips" en anglais, dont la partie émissive est composée de plusieurs puces semi-conductrices.

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.

Des LED de fortes puissances ont vu le jour au début des années 2000. Dans la première décennie du XXI^e siècle, des rendements lumineux d'environ 130^{[réf. nécessaire]} lumens par watt sont atteintes avec ces LED. Par comparaison, les ampoules à filament de tungstène de 60 W atteignent un rendement lumineux d'environ 15^{[réf. nécessaire]} lumens par watt.

Les LED sont aujourd'hui suffisamment puissantes pour servir d'éclairage dans le secteur de l'automobile. Employées d'abord pour les feux de stop, clignotants ou de recul, celles-ci remplaceront probablement, à terme, toutes les ampoules classiques.

Couleurs

La couleur d’une diode électroluminescente peut être générée de différentes manières ^{[5] [6]}:

• 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^[7].

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) nitrure d'aluminium (AlN) nitrure d'aluminium/gallium (AlGaN)
Blanc	Chaude à froide	ΔV = 3,5

Pour le blanc, on ne parle pas de longueur d’onde mais de température de couleur proximale. 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.
• Consommation inférieure aux lampes à incandescence et du même ordre de grandeur que les tubes fluorescents
• Excellente résistance mécanique (chocs, écrasement, vibrations).
• Taille beaucoup plus réduite que les lampes classiques ce qui offre la possibilité de réaliser des sources de lumière très ponctuelles, de faible à très faible consommation électrique (quelques dizaines de milliwatts) et avec un bon rendement. En assemblant plusieurs LED, on peut réaliser des éclairages avec des formes novatrices.
• Durée de vie beaucoup plus longue qu’une lampe à incandescence classique ou même qu’une lampe fluorescente (20 000 à 50 000 heures environ contre 5 000 à 15 000 heures pour les lampes fluorescentes et 1000 heures pour les lampes à incandescence et 2000 heures pour les lampes halogènes).
• 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.
• Les LED RGB (rouge-vert-bleu) permettent des mises en valeur colorées avec des possibilités de variations sans limite.

Inconvénients

• Dans un rapport publié le 19 octobre 2010, l'Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail (Anses) a constaté l'existence d'effets sanitaires potentiels liés à l'usage des LED. Ce rapport précise notamment qu'outre leur forte intensité lumineuse (ou luminance) pouvant entraîner un éblouissement, la forte proportion de lumière bleue des LED pourrait être à l'origine de lésions oculaires dues à un "stress oxydatif cellulaire".
• Les LED dites blanches sont généralement des LED bleues recouvertes de luminophores, généralement du YAG:Ce (grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au Cérium). Ce blanc est généralement froid et possède un mauvais indice de rendu de couleur (IRC). Toutefois, cet inconvénient est corrigé industriellement.
• Inconvénients propres aux LED de forte puissance :
  • Le rendement lumineux est plus faible.
• 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^[8],[9].
• 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^[10].
• 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 un système de dissipation thermique adéquat n'est pas mis en œuvre, spécialement pour les modèles de puissance.
• La LED est une diode avant tout, la génération de lumière est liée directement à la circulation des électrons dans la jonction. Ce fonctionnement impose une régulation en courant pour maintenir le composant dans son régime de fonctionnement nominal ^[11]. Noter cependant que les lampes à décharge gazeuse tels que les tubes fluorescents nécessitent également une régulation en courant, effectuée grâce au "ballast" inductif ou électronique.
• Des matériaux toxiques tels que l'arsenic entrent dans la fabrication des LED.

Utilisations

Diodes électroluminescentes ordinaires

Éclairage

• 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
• 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.

Affichage

• 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)

Source de lumière quasi monochromatique

• 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
• Luminothérapie contre l'acné

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
• Lampes de poche à piles ou accumulateur à génératrice de recharge incorporé.
• Lampes de balisage des jardins alimentées par panneau solaire.

- En 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 des 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]. - En 2007, Audi et Lexus bénéficient de dérogations de la Commission européenne pour commercialiser des modèles munis de feux avant à base de LED. - En 2009, La Ferrari 458 Italia innove elle aussi avec des phares à LED. - En 2010 La RATP expérimente l'éclairage des espaces du métro parisien, notamment à la station Censier-Daubenton première station de métro entièrement éclairée par cette technologie.

• 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.

• 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 et alimentation électrique

Les diodes électroluminescentes sont polarisées : on tiendra compte de la polarité (schéma en haut de page). Il est indispensable de tenir compte de l’intensité maximale (typique : 10 à 30 mA pour une LED de faible puissance et de l'ordre de 350 à 1000 mA pour un LED de forte puissance) admissible par la diode et donc d’intercaler une résistance en série calculée en fonction de la tension d’alimentation (loi d’Ohm) ou une limitation en courant. Une méthode peu dispendieuse en énergie consiste à utiliser un circuit de régulation de courant basé sur des principes analogues à ceux mis en œuvre dans les alimentation électriques à découpage. 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. Il est également primordial d'apporter un soin particulier à l'alimentation électrique des LED pour conserver leurs caractéristiques colorimétriques (température de couleur proximale, IRC,...) ^[12].

Évolution prévisible des performances des diodes électroluminescentes^[13]

Caractéristique	2010	2020	2030
Flux unitaire maximum (lm)	135	600	1 500
Rendement maximum (lm/W)	128 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	6	?	?
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

Voir aussi

Bibliographie

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

Articles connexes

• Diode électroluminescente organique
• PHOLED
• Lampe à diode électroluminescente
• Luxeon

Liens externes

• (fr) www.led-fr.net
• (en) LED professional
• Le site DatasheetCatalog.net [2] permet (pour les amateurs de courbes notamment) d'accéder à de nombreuses fiches techniques de LED, à condition de les rechercher sous le nom de "solid state lamps".

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