LEDs

Une diode électroluminescente LED, abrégé de l’anglais light-emitting diode, est un composant électronique constitué d’une matière capable d’émettre de la lumière lorsqu’elle soumise à une excitation électrique. Cette matière est dite électroluminescente et on parle d’électroluminescence quand l’excitation de la matière est provoquée par le passage d’un courant électrique.

La première LED était russe : la première observation du phénomène d’électroluminescence a été rapportée en 1907 dans une note à Electrical World par le britannique Henry Joseph Round (1881-1966). Il y décrit l’observation d’une lueur lorsqu’un cristal de carborundum (carbure de silicium, SiC) est parcouru par un courant électrique. Cette note n’échappe pas au russe Oleg Vladimirovich Losev (1903-1942) qui remarque en 1927 que les diodes à oxyde de zinc (ZnO) et SiC utilisées dans les récepteurs radio, émettent de la lumière lorsqu’un courant les traverse. Ses travaux aboutiront à l’invention de la LED et le brevet qu’il dépose en 1929 marquera le début de la révolution des télécommunications photoniques.

En effet, il y écrit : « L’invention proposée utilise le phénomène connu de la luminescence d’un détecteur de carborundum et consiste en l’utilisation d’un tel détecteur dans un relais optique aux fins de communication rapide télégraphique et téléphonique, de transmission d’images et d’autres applications où un point de contact luminescent est utilisé comme source de lumière directement connectée à un circuit de courant modulé. » Victime de la seconde guerre mondiale, Losev n’aura pas de disciples pouvant continuer ses travaux qui, semble-t-il, l’avaient conduit à construire le premier transistor.

La fréquence de la lumière émise par une LED détermine sa couleur et dépend du matériau qui la compose. Deux familles de matériaux électroluminescents sont appliquées à la fabrication de LED : ce sont des semi-conducteurs inorganiques ou organiques. Un semi-conducteur est caractérisé par son gap, qui correspond à l’énergie à fournir pour activer les électrons de la matière qui le constitue et observer le passage d’un courant électrique. L’activation des électrons (de charge négative) crée simultanément des trous (de charge positive) en nombre égal.

La LED émet de la lumière (des photons) lorsque les électrons reviennent à leur état initial et se recombinent avec les trous que leur départ avait créés. Les photons émis sont dotés d’une énergie, régie par la relation Eg = hν où Eg est le gap, ν est la fréquence et h la constante de Planck. Ainsi, la fréquence des photons, donc la couleur de la lumière, est directement liée au gap du semi-conducteur utilisé. Selon le matériau, la couleur de la lumière émise va de l’ultraviolet à l’infrarouge.

Du rouge au bleu et au blanc : les LED inorganiques utilisent des semi-conducteurs de type III-V, comme le phosphure d’indium (InP), l’arséniure de gallium (GaAs), et le nitrure de gallium (GaN). La première LED à émission dans le domaine visible est américaine et apparaît en 1962 et emploie cette famille de semi-conducteurs. Dans la continuité des travaux de trois groupes de la General Electric (Schenectady, NY), d’IBM et du MIT qui décrivent l’émission de lumière infrarouge par des diodes à l’arséniure de gallium, Nick Holonyak Jr. et S. Bevacqua (General Electric, Syracuse, NY) utilisent du phospho-arséniure de gallium Ga(As1-xPx).

La substitution partielle de l’arsenic par le phosphore dans GaAs provoque le déplacement de la fréquence de la lumière émise : la première LED visible est rouge. Les diodes jaunes et vertes suivirent. Jusqu’en 1993, les diodes bleues étaient composées de carbure de silicium. En 1993, Shuji Nakamura crée la première LED bleue à semiconducteur III-V en utilisant InGaN. La dernière étape vers la LED blanche est franchie par couplage d’une LED bleue et d’un luminophore jaune.

Cette importante avancée fut le point de départ de nouvelles applications majeures : éclairage, écrans de téléviseurs et d’ordinateurs, stockage optique blu-ray (laser bleu-violet) et pour le design sur les projecteurs de voitures…

Les LED inorganiques sont largement utilisées pour la signalisation, l’affichage, les télécommandes infrarouge, les faisceaux laser pour la lecture/gravure de CD et DVD, les écrans vidéos de grande taille, le rétro-éclairage des écrans plats. Elles sont considérées comme une technologie d’avenir dans le domaine de l’éclairage : on estime que d’ici à 2020, les LED pourraient représenter 75 % du marché de l’éclairage.

Couleur de la LED   Exemples de semi-conducteurs inorganiques utilisés
Rouge
arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs)
Jaune   phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Vert   nitrure de gallium (GaN)
   

GaN

    phosphure de gallium (GaP)
Bleu séléniure de zinc (ZnSe)
    nitrure de gallium/indium (InGaN)
    carbure de silicium (SiC)

Les OLED ou LED organiques : d’autres matériaux semi-conducteurs que les composés III-V ont été intégrés dans des LED et ont donné naissance aux diodes électroluminescentes organiques (OLED), composées de molécules organiques ou polymères. Une OLED est constituée d’une couche luminescente prise en sandwich entre deux électrodes : une anode (+) qui crée des trous (elle arrache des électrons au matériau), et une cathode (-) qui apporte les électrons. Comme dans les LED inorganiques, la source de lumière provient de la recombinaison d’une paire électron-trou, à l’intérieur de la couche émettrice.

Dans les OLED, la recombinaison doit encore être optimisée, car l’équilibre électron-trou est difficile à atteindre dans un matériau organique en raison de la différence de mobilité des électrons qui est environ trois fois plus grande que celle des trous. Les matériaux luminescents des OLED sont principalement des polymères dérivés du polyfluorène (a) et du poly(p-phénylènevinylène) ou PPV (b), ou des complexes de coordination comme le tris(8-hydroxyquinolinato)aluminium ou Alq3 (c). Les matériaux d’anode et de cathode les plus rencontrés sont respectivement l’oxyde d’indium-étain (ITO) et l’aluminium.

Les OLED sont principalement intégrées à des produits à durée de vie courte ou moyenne (téléphones mobiles, appareils photo numériques, baladeurs mp3, clavier d’ordinateur…). Bien que les écrans à OLED offrent des caractéristiques supérieures aux écrans LCD (Liquid Crystal Display) en termes de rendu des couleurs ou de contraste, leur durée de vie demeure trop faible pour envisager le développement commercial de moniteurs d’ordinateurs ou de téléviseurs.

La pensée du jour
« Que se disent un électron et un trou qui se rencontrent dans une LED ? Flashons ! »

Sources

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