LED

Présentation des LED

Les diodes électroluminescentes ou LED (de l'anglais « Light Emitting Diodes ») sont des diodes à semi-conducteurs qui maîtrisent les photons lumineux émis lorsque les électrons perdent de l'énergie et passent d'un état de haute énergie à une position d'énergie plus basse (ou « trou ») dans la structure atomique du semiconducteur, un phénomène appelé « électroluminescence ».

Les premières versions des LED dégageaient uniquement une lumière rouge peu intense mais aujourd'hui, selon le matériau utilisé pour le semiconducteur, elles peuvent émettre une lumière exceptionnellement intense et sont disponibles pour le spectre non-visible (ultraviolets et infrarouges) et pour le spectre visible, dans plusieurs couleurs. Différents matériaux semiconducteurs ont différentes bandes interdites d'énergie, d'où les différentes longueurs d'onde de la lumière émises pendant la perte d'énergie des électrons.

On les utilise de plus en plus souvent dans les systèmes d'éclairage généraux domestiques et commerciaux ou dans les systèmes d'éclairage industriels, ainsi que dans les systèmes d'éclairage automobile, dans l'éclairage aéronautique et dans les feux de circulation ; les LED sont également utilisées de plus en plus souvent comme voyants indicateurs dans un énorme éventail de dispositifs. Les LED infrarouges sont toujours largement utilisées dans les télécommandes des lecteurs de DVD et de MP3 et des téléviseurs, et ont permis de créer une nouvelle génération d'écrans vidéo et texte ultra-lumineux. Elles sont également adoptées par une nouvelle génération de technologie de connexion internet nommée « Light Fidelity » ou LiFi, qui pourrait remplacer le WiFi.

Elles sont beaucoup plus petites que les sources lumineuses incandescentes telles que les ampoules classiques (à économie d'énergie ou non) ; elles ne font souvent pas plus d'un ou deux millimètres carrés. Elles sont aussi considérablement plus durables que les sources classiques et consomment énormément moins d'énergie. Mais à l'heure actuelle, l'investissement nécessaire pour leur utilisation dans les systèmes d'éclairage est bien plus élevé que pour les sources lumineuses classiques, bien qu'elles durent beaucoup plus longtemps et consomment beaucoup moins d'énergie pendant leur vie utile.

 

L'histoire des LED

Les ancêtres des LED modernes remontent à 1907, lorsque le scientifique britannique Henry Round a découvert qu'il pouvait forcer un cristal en carbure de silicium à émettre de la lumière par électroluminescence (en d'autres termes, dégager de l'énergie principalement depuis les électrons sous forme de photons au lieu de chaleur quand ils passent d'un trou haute énergie à un trou faible énergie). En 1955, l'ingénieur radio américain Rubin Braunstein a identifié que les émissions électroluminescentes infrarouges de l'alliage semiconducteur arsenide de gallium (AsGa), mais il fallut attendre 1962 pour que la première LED brevetée apparaisse sur la scène mondiale lorsque les ingénieurs électriciens texans James Baird et Gary Pittman ont adapté le matériau semiconducteur AsGa pour inclure une jonction p-n (positive-négative). Cette avancée a conduit à la première LED infrarouge brevetée.

La même année, le scientifique américain Nick Holonyack a inventé la première LED émettant de la lumière dans le spectre visible. Mais ces LED sont restées extrêmement coûteuses et n'ont pas été adoptées commercialement jusqu'en 1968, lorsque Monsanto Company a utilisé du phosphate d'arsenide de gallium pour produire en série une LED bien moins coûteuse et commercialement viable qui a commencé à être utilisée dans les voyants à très grande échelle (surtout dans les affichages à sept segments des calculatrices, horloges et montres digitales).

Les lampes LED pour l'éclairage ont fait leur apparition sur le marché en 1994, lorsque Shuji Nakamura de Nichia Corporation a développé la première LED blanche à forte luminosité. En 2012, le fabricant d'éclairage Osram produisait déjà commercialement des LED à forte luminosité en utilisant le semiconducteur nitrure de gallium et d'indium (InGaN) sur un substrat de silicium.

 

Aspects techniques

On peut traiter (ou « doper ») les matériaux semiconducteurs pour qu'ils deviennent des semiconducteurs de type n, qui contiennent une surabondance d'électrons, ou des semiconducteurs de type p, qui ont un déficit d'électrons. Les deux sont utilisés dans les LED sous la forme de jonction p-n : le courant s'écoule bien plus facilement du côté positif (anode) de la jonction au côté négatif (cathode) que dans le sens inverse. Les côtés p et n établissent une tension différentielle qui fait que les électrons dégagent leur énergie sous forme de lumière lorsqu'ils passent dans des trous basse énergie.

La plupart des voyants LED consomment entre 30 et 60 millièmes de watt d'électricité. Un avantage majeur des lampes LED utilisées dans les systèmes d'éclairage est qu'elles démontrent une efficacité lumineuse exceptionnellement élevée (la relation entre le flux lumineux et la puissance consommée, mesurée en lumens par Watt ou lm/W). Elles ont maintenant rattrapé et même dépassé l'efficacité des lampes incandescentes classiques – une LED typique de cinq watts a une efficacité lumineuse de 18-22 lm/W, alors qu'une ampoule électrique incandescente standard de 60-100 watts émet seulement 15 lm/W.

La luminance de l'éclairage LED est renforcée non pas en augmentant le courant mais en combinant plusieurs LED dans une seule ampoule (l'augmentation du courant seul entraîne en fait une diminution de l'efficacité des LED, phénomène appelé « baisse d'efficacité »).

En général, les LED ont une vie utile entre 25 000 et 100 000 heures (soit entre 3 et 11 ans). Bien qu'elles soient produites dans un large éventail de formes et dimensions, la couleur de leur bloc optique en plastique n'est généralement pas responsable de la couleur de la lumière émise - en général, le bloc optique correspond à la couleur de la lumière émise par la LED elle-même.

 

Où les LED sont-elles utilisées dans l'industrie – des exemples célèbres ?

En plus des applications mentionnées plus haut (écrans texte et vidéo, li-fi, éclairage aéronautique, éclairage automobile et éclairage général, les systèmes de sécurité à LED gagnent en popularité. On utilise de plus en plus souvent des LED infrarouges dans les appareils de vision nocturne mais on peut aussi les raccorder à des caméras de sécurité et à des systèmes de sécurité d'éclairage automatisé.

 

La différence entre les LED et les autres sources lumineuses

À la différence des autres sources lumineuses à incandescence, les LED utilisent des semiconducteurs comme substrat dans lequel les réactions électroluminescentes se produisent. Elles durent beaucoup plus longtemps et sont plus efficaces que les sources lumineuses classiques.