Quand elle est arrivée sur le marché dans les années 1970 la diode LED a été accueillie avec intérêt par les radioamateurs qui en ont vue immédiattement les avantages pour remplacer les voyants équipées d'ampoules à incandescence ou au néon :
- très petites (diamètre 3 ou 5mm) et de taille en rapport avec les appareils de plus en plus transistorisés et miniaturisés
- très faible consommation, quelques milliampères, alors que la moindre ampoule nécessitait une centaine de milliampères
- prix abordable qui ne cessa de baisser dans les années qui suivirent.
Historique
Phénomène analogue
et inverse de celui de la génération d'électricité
par des cellules photovoltaïque, le principe d'émission
de photons par un semi-conducteur (du carbure de silicium monocristallin
en cette occurrence) a été découvert en 1907
par un chercheur britannique, Henry Joseph Round, travaillant
dans la société Marconi. Dans les années
1920, le Russe Oleg Losev travailla sur ce phénomène
qui fut repris dans les années 1950 par un chercheur de
la RCA, Rubin Braunstein. Ce dernier découvrit l'émission
de lumière infrarouge par des diodes à l'arséniure
ou l'antimoniure de gallium mais ce n'est qu'en 1961 que Robert
Biard and Gary Pittman travaillant pour Texas Instruments déposèrent
un brevet pour ce qui était la première diode électroluminescente.
Les premiers composants facilement disponibles sur le marché
ont été des LED rouges et des LED vertes vers 1974.
Quelques temps plus tard apparaissaient les optocoupleurs et surtout
les afficheurs à sept segments qui permirent l'affichage
digital des informations. Les LED d'autres couleurs (orangé,
puis bleu et enfin blanc) ne furent disponibles que vingt ans
plus tard. Le remplacement des ampoules à incandescence
dans les applications domestiques ne s'est vraiment répandu
qu'à partir des années 2000 grâce à
l'aumentation de rendement, donc de puissance lumineuse, des LED.Principe
Dans un cristal de silicium, les électrons peuvent relativement facilement passer de la bande de conduction à la bande de valence et réciproquement en sautant un fossé étroit (le "gap"), une bande interdite. Pour passer de la bande de valence à la bande de conduction, d'un niveau d'énergie plus élevé, l'électron aura besoin d'un coup de pouce, sous la forme d'une certaine quantité d'énergie exprimée généralement en électron-volt (eV). Par exemple, pour le silicium, l'énergie nécessaire pour franchir le gap est de 1,11 eV à la température de 20°C (302K). Cette énergie peut provenir de l'augmentation de la température du cristal ou bien de l'arrivée d'un photon d'énergie suffisante. Inversement, un électron qui repasse de la bande de conduction à la bande de valence peut provoquer l'émission d'un photon. C'est ce phénomène d'électroluminescence qui est exploité dans les diodes LED. La fréquence de l'onde associée au photon, donc la couleur du rayon lumineux, dépend de la quantité d'énergie nécessaire à l'électron pour franchir le gap et cette énergie dépend du matériau.
Exemple :
Bien que le problème ne soit pas si simple, on peut calculer la longueur d'onde de la lumière émise par un matériau électroluminescent possédant une énergie de gap E de 2.7 eV
Sachant qu'un électronvolt correspond à 1,602.10-19 joules on va d'abord calculer l'énergie correspondant à 2,7 eV :
E = 2,7 x 1,602.10-19
E = 4,33.10-19 J
Un photon possédant cette énergie est associé à une onde de fréquence n ("nu" représentant la lettre grecque symbolisant la fréquence) :
nu = E / h où h est la constante de Planck égale à 6.6262E-34 J.s
nu = 4,33.10-19 / 6.6262E-34
nu = 653.1012 Hz ou 653 THz
Comme il est plus courant de parler de la longueur d'onde pour un rayonnement lumineux, on convertit la fréquence ("lambda" représentant la lettre grecque symbolisant la longueur d'onde) :
lambda = c/nu où c représente la célérité de la lumière
lambda = 300000000 / 653.1012
lambda = 459.10-9 m ou plus communément 459 nm (nanomètres)
On peut voir dans le tableau ci-dessous que la couleur du rayonnement émis se situe entre le bleu et le violet.
Une formule plus simple permet un calcul plus rapide :
avec lambda en nanomètres et E en électronvolts
Les semi-conducteurs utilisés pour la fabrication des LED sont généralement des matériaux résultant de l'association de deux éléments simples comme l'arséniure de gallium (GaAs), de trois comme l'arséniure-phosphure de gallium (GaAsP) ou de quatre comme le phosphure d'aluminium-gallium-indium (AlGaInP)... La nature du matériau, la composition des alliages et le dopage déterminent la couleur de la lumière émise.
La LED est une diode à jonction dont la zone où se recombinent électrons et trous est conçue de façon à permettre l'émission de la lumière lorsqu'elle est parcourue par un courant dans le sens direct.
La tension de seuil présente aux bornes de la diode quand elle émet de la lumière dépend du matériau, de la température et de l'intensité du courant ; une LED verte au phosphure de gallium présente une tension de seuil de l'ordre de 2,5 V (1,5 à 3 volts).
Couleurs et matériaux
Le tableau suivant regroupe les principales caractéristiques moyennes de quelques matériaux utilisés.
