Les diodes électroluminescentes (LED)

par **Mhz** Ven 12 Fév - 14:21

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'augmentation de rendement, donc de puissance lumineuse, des LED.

Les diodes électroluminescentes (LED) Rm24b110

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).

par **Mhz** Ven 12 Fév - 14:21

Couleurs et matériaux

Le tableau suivant regroupe les principales caractéristiques moyennes de quelques matériaux utilisés.

Couleur	lambda (nm)	fréquence (THz)	matériau (exemple)	énergie (eV)	U directe (V)
infra-rouge	>670	<447	arséniure d'aluminium-gallium (AlGaAs)	1,42 à 2,16	<1,63
rouge	625 à 670	447 à 480	phosphure de gallium (GaP)	2,26	1,63 à 2,03
orangé	600 à 625	480 à 500	phosphure de gallium-arsenic (GaAsP)	1,43 à 2,26	2,03 à 2,10
jaune	577 à 600	500 à 520	phosphure de gallium-arsenic (GaAsP)	1,43 à 2,26	2,10 à 2,18
vert	500 à 577	520 à 600	phosphure de gallium-aluminium(AlGaP)	2,26 à 2,45	1,9 à 4,0
bleu	462 à 500	600 à 650	séléniure de zinc (ZnSe)	2,7	2,48 à 3,7
violet	400 à 462	650 à 750	nitrure d'indium-gallium (InGaN)	0,7 à 3,4	2,75 à 4,0
ultra-violet	<400	>750	nitrure d'aluminium (AlN)	6,2	3,1 à 4,4

par **Mhz** Ven 12 Fév - 14:24

Forme

Les premières LED étaient rondes comme les modèles C (diamètre 5mm) et F (diamètre 3mm).
Se sont répandues ensuite les diodes rectangulaires et les blocs regroupant plusieurs LED (réseaux).
La forme hémisphérique agit un peu comme une loupe qui détermine la forme du faisceau lumineux.
La couleur de la résine englobant l'élément rayonnant améliore la diffusion et le contraste mais ce n'est pas elle qui donne sa couleur à la lumière émise.

Les diodes électroluminescentes (LED) Rm24b111

A : rouge diamètre 3mm dans un support pour CI
B : rouge diamètre 5mm utilisée en voyant de face avant
C : violette 5mm
D : bicolore jaune et verte
E : rectangulaire
F : jaune 3mm
G : blanche haute luminosité 5mm
H : rouge 3mm

Les diodes électroluminescentes (LED) Rm24b112

Diode blanche à haute luminosité
A+ : anode
K- : cathode repérée par un méplat dans la collerette
F : fil de connexion de l'anode 4/100 de mm
C : coupelle réflecteur de lumière
L : forme bombée faisant office de loupe

par **Mhz** Ven 12 Fév - 14:31

Symbole et utilisation

Le symbole d'une LED est celui d'une diode auquel on a ajouté deux flèches représentant les rayons lumineux émis. Noter le sens de branchement de la diode dans le sens passant.
La résistance R est calculée pour que l'intensité dans le circuit ne dépasse pas 20mA mais on peut réduire la consommation sans que cela soit gênant pour la visibilité dans la plupart des cas d'utilisation en se contentant de quelques milliampères, il suffira de faire des essais dans les conditions les moins favorables de visibilité.
Si la diode risque de subir une tension inverse de plus de 5 volts on aura intérêt à placer une diode ordinaire en série avec elle comme sur le schéma ci-dessous à droite.

par **Mhz** Ven 12 Fév - 14:44

Symbole et utilisation

Le symbole d'une LED est celui d'une diode auquel on a ajouté deux flèches représentant les rayons lumineux émis. Noter le sens de branchement de la diode dans le sens passant.
La résistance R est calculée pour que l'intensité dans le circuit ne dépasse pas 20mA mais on peut réduire la consommation sans que cela soit gênant pour la visibilité dans la plupart des cas d'utilisation en se contentant de quelques milliampères, il suffira de faire des essais dans les conditions les moins favorables de visibilité.
Si la diode risque de subir une tension inverse de plus de 5 volts on aura intérêt à placer une diode ordinaire en série avec elle comme sur le schéma ci-dessous à droite.

Schéma de branchement d'une LED

Connexions.

Les diodes électroluminescentes (LED) Rm24b113

Protection contre les surtensions inverses.

Calcul de la résistance à placer en série avec la diode

Un petit exercice très simple.
Le but est de limiter l'intensité du courant circulant dans la diode à une valeur inférieure à 20mA. Mettons 10mA.
La première étape consiste à chercher dans le tableau ci-dessus la valeur maxi de la tension directe pour la diode concernée. Par exemple 2 volts pour une diode rouge.
Si la tension d'alimentation est de 12 V, on commence par soustraire la tension directe à la tension d'alimentation : 12 - 2 = 10 volts.
Ces 10 volts sont la différence de potentiel que devra supporter la résistance R dont il est facile de calculer la valeur à l'aide de la loi d'Ohm :
R = U / I avec I en ampères, soit ici 10mA = 0,01 A
R = 10 / 0,01
R = 1000 ohms

En règle général on peut mettre par défaut une résistance de 1 kilohm. Si la luminosité est trop forte il suffira d'essayer avec une résistance plus grande.

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