Qu'est-ce que la diode électroluminescente : fonctionnement et ses applications

Dans le domaine de la technologie moderne, une innovation petite mais remarquable a illuminé notre monde : la diode électroluminescente (DEL). Cette minuscule source de lumière à semi-conducteur, née du génie créatif de Nick Holonyak en 1962, a provoqué une révolution dans l'éclairage et les affichages. Embarquons pour un voyage pour découvrir le fonctionnement enchanteur des LED et explorer leurs diverses applications.

 

Qu'est-ce qu'une diode électroluminescente ?

 

La diode électroluminescente, connue sous le nom de LED, est essentiellement une diode à jonction p-n avec un dopage spécialisé, fabriquée à partir de matériaux semi-conducteurs uniques. Dans son état de polarisation directe, il rayonne de la lumière, ce qui le distingue d'une diode électroluminescente.

 

Symbole LED

 

Le symbole LED ressemble à un symbole de diode standard avec quelques modifications uniques. La particularité est l'ajout de deux petites flèches qui pointent à l'opposé de la jonction de la diode, indiquant l'émission de lumière. Cette modification signifie la capacité de la LED à émettre de la lumière lorsqu'elle est polarisée en direct, un aspect fondamental qui la distingue des diodes ordinaires. En plus du symbole modifié, le

 

Le symbole LED comprend également des étiquettes pour ses deux bornes : l'anode (+) et la cathode (-). Ces étiquettes aident les ingénieurs et les techniciens à identifier correctement l'orientation de la LED lors de son intégration dans les circuits.

 

 

Construction de LED

 

Couche de substrat : La base de la LED est un substrat, généralement constitué de matériaux comme le saphir ou le carbure de silicium. Cette couche fournit un support mécanique et une gestion thermique, garantissant la stabilité de la LED et une dissipation thermique efficace.

 

Couche de type N : Sur le substrat, une fine couche de matériau semi-conducteur de type N est déposée. Cette couche est riche en électrons libres, qui agissent comme porteurs de charge. Des matériaux comme le nitrure de gallium (GaN) sont couramment utilisés à cette fin.

 

Couche active : Au-dessus de la couche de type N se trouve la couche active, qui joue un rôle crucial dans l'émission lumineuse de la LED. Cette couche est souvent constituée de plusieurs puits quantiques, des couches extrêmement fines qui facilitent la recombinaison des électrons et des trous (espaces chargés positivement laissés lorsque les électrons se déplacent) – un processus qui génère des photons de lumière.

 

Couche de type P : La couche active est suivie par la couche de type P, formée de matériaux semi-conducteurs avec un excès de « trous » ou de lacunes chargées positivement vers lesquelles les électrons peuvent se déplacer. Cette couche facilite la migration des trous, ce qui contribue au processus de recombinaison.

 

Couches de contact : Des couches de contact métalliques sont ajoutées aux régions de type N et de type P, servant de bornes à travers lesquelles le courant électrique est injecté dans la LED. Ces couches permettent le flux contrôlé de porteurs de charge, ouvrant la voie à l'émission de lumière.

 

Encapsulation : Pour protéger les couches délicates des facteurs environnementaux et améliorer l'extraction de la lumière, la LED est souvent encapsulée dans une résine époxy transparente ou un matériau transparent.

 

Comment fonctionne la diode électroluminescente ?

 

Lorsqu'une tension est appliquée aux bornes des LED – avec l'anode connectée à la région de type P et la cathode connectée à la région de type N – une polarisation directe est établie. Cette polarisation permet le flux d'électrons de la région de type N et de trous de la région de type P vers la couche active, créant ainsi une zone de recombinaison. À mesure que les électrons et les trous se recombinent dans cette région, l'énergie est libérée sous forme de photons, produisant de la lumière visible. 

 

Principe de fonctionnement des LED

L'essence opérationnelle de la diode électroluminescente (DEL) est ancrée dans les principes de la théorie quantique. Selon cette théorie, lorsqu’un électron passe d’un état d’énergie supérieure à un état d’énergie inférieure, il émet de l’énergie sous forme de photon. L'énergie de ce photon est précisément alignée sur l'écart énergétique existant entre ces deux niveaux d'énergie. Dans les scénarios où une diode à jonction PN est polarisée en direct, permettant une direction privilégiée du flux de courant, un courant électrique est facilité à travers la diode.

 

Flux de courant semi-conducteur sous-jacent

 

Le flux de courant dans les semi-conducteurs est intimement lié au mouvement des porteurs de charge, en particulier des électrons et des trous. Ces entités se déplacent dans des directions contrastées concernant le flux actuel. Par conséquent, un phénomène appelé recombinaison apparaît comme une conséquence des interactions de ces porteurs de charge.

 

Ce processus de recombinaison signifie la transition des électrons de la bande de conduction vers la bande de valence. Au cours de cette transition, lorsque les électrons sautent d’une bande à l’autre, ils rayonnent de l’énergie électromagnétique sous forme de photons. Le niveau d'énergie de ces photons s'aligne sur le fossé énergétique interdit intrinsèque au matériau.

 

Une vision quantique

 

À des fins d'illustration, approfondissons le domaine de la théorie quantique. L'énergie transportée par un photon est fonction de la constante de Planck (h) et de la fréquence (f) du rayonnement électromagnétique. Mathématiquement, cette relation s'exprime comme suit :

 

Équation : E = hf

 

Ici, h représente la constante de Planck, tandis que c symbolise la vitesse du rayonnement électromagnétique, équivalant à la vitesse de la lumière. La fréquence du rayonnement (f) et la vitesse de la lumière (c) sont reliées par l'équation f = c / λ, où λ désigne la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique. La substitution de ces relations dans l'équation donne :

 

Équation : E = hc / λ

 

Cette équation souligne la proportionnalité inverse entre la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique et l'espace énergétique interdit. Ce phénomène est particulièrement prononcé dans les matériaux comme les semi-conducteurs en silicium et en germanium, où l'écart interdit entre les bandes de conduction et de valence engendre un rayonnement principalement sous forme d'ondes infrarouges. Notamment, les longueurs d’onde du rayonnement infrarouge se situent au-delà du spectre visible, restant ainsi invisibles à la perception humaine.

 

Applications des diodes électroluminescentes (DEL)

 

1. Les LED sont utiles comme ampoules dans les environnements résidentiels et industriels.
2. Les diodes électroluminescentes sont intégrées aux motos et aux automobiles.
3. Les LED sont utilisées dans les téléphones mobiles pour afficher des messages.
4. La technologie LED est exploitée pour les systèmes de feux de circulation.

 

Conclusion

 

Ainsi, cet article présente un aperçu de la LED Principe de fonctionnement et application du circuit. J'espère qu'en lisant cet article, vous avez acquis des informations de base et pratiques sur la diode électroluminescente. Si vous souhaitez acheter une lumière LED, cela pourrait vous donner une chance de Infralumine.