Diode électroluminescente (LED)

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Principe de fonctionnement d’une LED Une diode électroluminescente est un composant 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 Deux couches de matériaux semi-conducteur : N et P N : conduction assurée par les électrons P : conduction assurée par des trou ou déficit d’électrons Un petit rappel de ce qu’est une led ou del en francais, composé que vous avez certainement tous utilisé en cours de techno au collège… Une led emet de la lum et de la lumière monochromatique lorsqu’elle est branchée dans le sens passant. La lumière est émise par un petit composant semi conducteur. La diode est composée de deux couches de matériaux semi cond de type N et P N : conduction elec asurée par des e- P : conduction assurée par des trou ou déficit d’e- Qu’est ce qu’un semi conducteur : c’est un solide covalent : les électrons de la couche de valence des atomes sont mis en communs pour réaliser des liaisons covalentes et ces électrons ne peuvent pas avoir toute les valeurs d’énergies. Elles sont appelées bande d’énergie. La bande de valence est totalement occupée par les électrons tant s que la bande de conduction est vide. Pour se déplacer sans énergie extérieur, un électron doit atteindre une place inoccupée de la même bande d’énergie que lui. Donc pas de conduction électrique. On obtient un semi conducteur de type n quand on ajoute un atome avec un électron de plus dans leur couche de valence. Il s’incere dans le reseau cristallin de silicium par expemple et ces électrons ont une énergie voisine de la bande de conduction car la bande de valence est déjà totalement remplis Il y a des états inocupés autour d’eux et donc peuvent se déplacer au sein du cristal. Dans N : le courant est assuré par le deplacement de l’electron dans la bande de conduction. On obtient un semi conduteur de type p en introduisant des atome ayant un e en moins dans leur couche de valence. Il leur manque un e- pour établir toute les liaisons possibles avec leur voisin, il a donc des espaces inocupés dans la bande de valence et les eclectrons voisins peuvent se deplacer dans la bande de valence du cristal. La condu est assurée par des trou positifs dans la bande de valance.

Don si on revient a notre led : on a un conducteur de type P qui contient des trou mobiles et un conducteur de type N qui contient des electrons mobiles Quand on branche une del, cela donne donc le circuit suivant. On va avoir un champs électrique qui va de la zone p a la zone n qui va faire circuler les electrons de la zone N a la zone p et les trou de la zone p vers la zone n, Quand on va appliquer une tension, la barrière d’énergie de la zone de recombinaison va s’abaisser et a partir d’une tension seuil, les charges mobiles pourront circuler Don si on revient a notre led : on a un conducteur de type P qui contient des trou mobiles et un conducteur de type N qui contient des electrons mobiles Quand on branche une del, cela donne donc le circuit suivant. On va avoir un champs électrique qui va de la zone p a la zone n qui va faire circuler les electrons de la zone N a la zone p et les trou de la zone p vers la zone n, Quand on va appliquer une tension, la barrière d’énergie de la zone de recombinaison va s’abaisser et a partir d’une tension seuil, les charges mobiles pourront circuler

Fonctionnement d’une LED Les electrons de la zone N rencontre les trou de la zone p et leur combinaison produit de la lumière, et libere un photon Cela correspond a l’énergie de l’electron losqu’il tombe dans la zone de valence et la longueur d’onde du photon est inversement prop la l’énergie perdu de l’electron. On peut changer cet ecart d’énergie entre la bande de valence et celle de la bande de conduction en changeant de matériau, pour avoir du bleu il faut du nitrure de galium Les electrons de la zone N rencontre les trou de la zone p et leur combinaison produit de la lumière, et libere un photon Cela correspond a l’énergie de l’electron losqu’il tombe dans la zone de valence et la longueur d’onde du photon est inversement prop la l’énergie perdu de l’electron. On peut changer cet ecart d’énergie entre la bande de valence et celle de la bande de conduction en changeant de matériau, pour avoir du bleu il faut du nitrure de galium

La LED blanche pour l’éclairage

lumière blanche avec 3 LEDs RVB Utiliser au moins trois diodes émettant des longueurs d'ondes visibles qui se combinent pour donner une lumière blanche.

Conversion du bleu par un phosphore jaune Combiner une diode émettant une longueur d'onde courte (dans le bleu) avec un luminophore (=Phosphore) jaune

Avantages Économie financière et énergétique : Peu d'énergie et de matière première pour leur fabrication. Facilité de montage sur un circuit imprimé. Faible consommation électrique. Consommation < aux lampes à incandescence et bon rendement. Durée de vie très longue : Durée de vie LED 20 000 à 50 000 heures Lampe à vapeur de sodium (haute pression) HPS 12 000 à 20 000 heures Lampe fluorescente compacte 8 000 heures Lampe à incandescence 1 000 heures Tableau 1 : Tableau comparatif des durées de vie en heures des lampes à incandescence ,HPS , LED, et fluorescente.

Avantages (suite) Sécurité : Fonctionnement très basse tension (TBT). Les LEDs classiques (5 mm) ne chauffent presque pas et ne brûlent pas les doigts Innovation : Eclairage des écrans à cristaux liquides (diode bleue) éclairages colorés et formes novatrices Tout d’abord, parmi les avantages on retrouve la sécurité : Fonctionnement très basse tension (TBT) : gage de sécurité et ceci permet une facilité de transport (ex : « lampe à manivelle »). des lampes de poche à LED actionnées par une dynamo à main Elles s’allument et s’éteignent en un temps très court Les LEDs classiques (5 mm) ne chauffent presque pas et ne brûlent pas les doigts + résistent aux chocs Excellente résistance mécanique (chocs, écrasement, vibrations). La diode bleue permet d’éclairer les écrans à cristaux liquides (télévision, smartphones, tablettes). Taille plus réduite que les lampes classiques Les LED RVB (rouge-vert-bleu) permettent des mises en valeur colorées avec des possibilités de variations sans limite.

Application

50 flocons de neige géants Décoration de Noël vitrine de ‘Sachs’ 5th Avenue - N.Y. 50 flocons de neige géants 72.000 LEDs 7 m

Conclusion « Si le 20ème siècle a été celui des lampes à incandescence, le 21ème siècle sera éclairé aux LEDs » Jury du prix Nobel de physique 2014