La diode électroluminescente est une diode spéciale. Comme les diodes ordinaires, les diodes électroluminescentes sont composées de puces semi-conductrices. Ces matériaux semi-conducteurs sont pré-implantés ou dopés pour produire des structures p et n.
Comme les autres diodes, le courant dans la diode électroluminescente peut facilement circuler du pôle p (anode) au pôle n (cathode), mais pas dans la direction opposée. Deux porteurs différents : les trous et les électrons circulent des électrodes vers les structures p et n sous différentes tensions d'électrode. Lorsque les trous et les électrons se rencontrent et se recombinent, les électrons tombent à un niveau d’énergie inférieur et libèrent de l’énergie sous forme de photons (les photons sont ce que nous appelons souvent la lumière).
La longueur d'onde (couleur) de la lumière qu'il émet est déterminée par l'énergie de bande interdite des matériaux semi-conducteurs qui composent les structures p et n.
Le silicium et le germanium étant des matériaux à bande interdite indirecte, à température ambiante, la recombinaison des électrons et des trous dans ces matériaux est une transition non radiative. De telles transitions ne libèrent pas de photons, mais convertissent l'énergie en énergie thermique. Par conséquent, les diodes au silicium et au germanium ne peuvent pas émettre de lumière (elles émettront de la lumière à des températures spécifiques très basses, qui doivent être détectées sous un angle spécial, et la luminosité de la lumière n'est pas évidente).
Les matériaux utilisés dans les diodes électroluminescentes sont tous des matériaux à bande interdite directe, de sorte que l'énergie est libérée sous forme de photons. Ces énergies de bandes interdites correspondent à l’énergie lumineuse dans les bandes du proche infrarouge, du visible ou du proche ultraviolet.
Ce modèle simule une LED qui émet de la lumière dans la partie infrarouge du spectre électromagnétique.
Aux premiers stades de développement, les diodes électroluminescentes utilisant de l’arséniure de gallium (GaAs) ne pouvaient émettre que de la lumière infrarouge ou rouge. Avec les progrès de la science des matériaux, les diodes électroluminescentes nouvellement développées peuvent émettre des ondes lumineuses avec des fréquences de plus en plus élevées. Aujourd'hui, il est possible de fabriquer des diodes électroluminescentes de différentes couleurs.
Les diodes sont généralement construites sur un substrat de type N, avec une couche de semi-conducteur de type P déposée sur sa surface et reliée entre elles par des électrodes. Les substrats de type P sont moins courants, mais sont également utilisés. De nombreuses diodes électroluminescentes commerciales, notamment GaN/InGaN, utilisent également des substrats en saphir.
La plupart des matériaux utilisés pour fabriquer les LED ont des indices de réfraction très élevés. Cela signifie que la plupart des ondes lumineuses sont réfléchies dans le matériau à l’interface avec l’air. L’extraction des ondes lumineuses est donc un sujet important pour les LED, et de nombreux travaux de recherche et développement se concentrent sur ce sujet.
La principale différence entre les LED (diodes électroluminescentes) et les diodes ordinaires réside dans leurs matériaux et leur structure, ce qui entraîne des différences significatives dans leur efficacité dans la conversion de l'énergie électrique en énergie lumineuse. Voici quelques points clés pour expliquer pourquoi les LED peuvent émettre de la lumière et les diodes ordinaires ne le peuvent pas :
Différents matériaux :Les LED utilisent des matériaux semi-conducteurs III-V tels que l'arséniure de gallium (GaAs), le phosphure de gallium (GaP), le nitrure de gallium (GaN), etc. Ces matériaux ont une bande interdite directe, permettant aux électrons de sauter directement et de libérer des photons (lumière). Les diodes ordinaires utilisent généralement du silicium ou du germanium, qui ont une bande interdite indirecte, et le saut d'électrons se produit principalement sous la forme d'une libération d'énergie thermique plutôt que de lumière.
Structure différente :La structure des LED est conçue pour optimiser la génération et l’émission de lumière. Les LED ajoutent généralement des dopants et des structures de couches spécifiques à la jonction pn pour favoriser la génération et la libération de photons. Les diodes ordinaires sont conçues pour optimiser la fonction de redressement du courant et ne se concentrent pas sur la génération de lumière.
Bande interdite énergétique :Le matériau de la LED possède une grande énergie de bande interdite, ce qui signifie que l’énergie libérée par les électrons lors de la transition est suffisamment élevée pour apparaître sous forme de lumière. L’énergie de bande interdite matérielle des diodes ordinaires est faible et les électrons sont principalement libérés sous forme de chaleur lors de leur transition.
Mécanisme de luminescence :Lorsque la jonction pn de la LED est polarisée en direct, les électrons se déplacent de la région n vers la région p, se recombinent avec les trous et libèrent de l'énergie sous forme de photons pour générer de la lumière. Dans les diodes ordinaires, la recombinaison des électrons et des trous se fait principalement sous forme de recombinaison non radiative, c'est-à-dire que l'énergie est libérée sous forme de chaleur.
Ces différences permettent aux LED d’émettre de la lumière lorsqu’elles fonctionnent, alors que les diodes ordinaires ne le peuvent pas.
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Heure de publication : 01 août 2024