Notions d'opto électronique
L
’optoélectronique est souvent définie comme étant l’art d’utiliser l’optique afin de réaliser des fonctions électroniques de tout genre tels que la manipulation d’information son traitement ou son stockage.
La diode électroluminescente
Si vous posez la question à une personne de savoir comment est réalisée la couleur d’émission d'une diode électroluminescente, la plupart du temps on vous répondra que cela dépend de la couleur du capot plastique qui l'entoure. Nous allons voir dans ces quelques lignes que cela n'est pas du tout le cas, la couleur du capot plastique permet uniquement de les reconnaître. On retrouvera les diodes électroluminescentes pour les dispositifs d'affichages, les voyants, les liaisons optiques et les boîtiers opto coupleurs de tous genres.
Avant de détailler le fonctionnement d'une diode électroluminescente, également appelée DEL (pour Diode ELectroluminescente) ou encore plus couramment LED (Light Emitting Diode), nous allons faire un bref rappel sur des notions d'optoélectronique et d'état d'énergie.
Une des grandes découvertes sur la théorie quantique implique qu'une particule constituant la matière ne peut exister que dans un certain état d'énergie. Dans une jonction PN il existe des bandes d'énergie et également des bandes interdites. La différence entre les isolants, conducteurs et semi-conducteurs est due au remplissage de ces bandes par les électrons. La bande interdite sépare la bande de conduction de la bande de valence, cette bande interdite est d'environ 1 électron volt pour les semi-conducteurs. L'introduction dans un cristal d'impuretés (dopage) fait qu'il va se créer des états intermédiaires entre la bande de valence et de conduction. Ces états intermédiaires pourront être occupés par des électrons.
Figure 1 - Niveaux d’énergie
On a l'habitude de dire que rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme. Lorsqu'un électron va passer d'un état d'énergie supérieur vers un état d'énergie inférieur il va y avoir un excès d'énergie et libération d'un photon. L'énergie perdue, en fait, entre les deux niveaux est compensée par l'émission d'un photon ce phénomène se nomme émission spontanée, l'énergie du photon est donnée par la différence entre les deux niveaux. Une formule de base nous permet de calculer la longueur d'onde correspondante à l'émission du photon :
Avec l (lambda) la longueur d'onde exprimée en mètres, h est une constante (constante de
*PLANCK qui a pour valeur: 6.626176x10-34 Joule par seconde)
C est la vitesse de la lumière en mètres par seconde et E est l'énergie de la particule. Cette belle formule va permettre de créer comme nous allons le voir de la lumière de différente couleur, cela tombe bien puisque comme vous le savez il existe des LED de différentes couleurs. Dans la deuxième formule n (nu) est la fréquence, on voit que celle-ci va dépendre de la différence entre les deux niveaux d'énergie ( E2 - E1).
Figure 2
Comme le montre la figure 2, la différence d'énergie entre les deux niveaux va définir la longueur d'onde (donc la couleur) du photon émis. Le dopage va faire intervenir des états intermédiaires qui vont permettent d'avoir des différences de niveaux d'énergie par rapport à un cristal pur (ou cristal intrinsèque).
Figure 3 - Dopage
Voici quelques uns des principaux semi-conducteurs composés employés pour réaliser le dopage lors de la fabrication de LED ( liste non exhaustive):
Arséniure de gallium
Phosphore de gallium
Nitrure de gallium
Antimoniure d'indium
Arséniure d'indium
Une question nous vient à l’esprit, dans les semi-conducteurs utilisés en électronique tels que la diode il y a bien des électrons qui passent de la bande de valence vers la bande de conduction (cas de la diode passante), si nous ouvrons le boîtier on devrait voir de la lumière non ?
Et bien non et ceci est dû au fait que l'humain ne visualise pas toutes les longueurs d'ondes, en effet le silicium et le germanium ont des bandes interdites d'environ 0.7 et 1.1 électron - Volt ce qui correspond à des longueurs d'ondes situées dans l'infrarouge.
L’ électro luminescence
On nomme sous ce terme scientifique les procédés qui permettent d’obtenir l’excitation d’un semi-conducteur à partir d’un signal électrique.Le procédé le plus utilisé pour mettre en évidence l'électroluminescence est d'injecter directement des porteurs minoritaires au moyen d'une jonction PN polarisée en direct. Lorsqu'une jonction est polarisée en direct les trous majoritaires de la région P diffusent vers la région N où ils se recombinent avec des électrons et vice versa pour les électrons de la région N. La vitesse des électrons étant supérieure à celle des trous l'injection et la recombinaison d'électrons dans la région P sera le processus dominant. La face émettrice de la led se situe donc dans la région P puisque celle-ci est plus radiative. Au niveau des changements de niveaux d'un électron appelés couramment "transition" on distingue deux phénomènes. La première constatation est qu'il existe des transitions dites radiatives dans lesquelles l'énergie gagnée ou perdue par un électron est convertie sous forme de rayonnement. Le deuxième phénomène est une transition non radiative dans laquelle l'énergie est échangée avec le réseau cristallin.
Une diode électroluminescente est une jonction PN dont le dopage des régions P et N est calculé de façon à favoriser les recombinaisons radiatives correspondant à la longueur d'onde à émettre.
Figure 5 - Niveau d’énergie
Remarque
Il existe aujourd'hui des leds haute luminosité qui tendent peu à peu à remplacer les ampoules traditionnelles dans certains secteurs de l'industrie (l'automobile par exemple). L'avantage des leds se situe déjà au niveau de la durée de vie du composant qui est bien supérieure à un filament classique équipant une ampoule, et la très faible consommation de celle-ci fait que le rendement est élevé. Il est par contre bien évident qu'il faudra associer un certain nombre de leds pour remplacer une ampoule classique.
* Max Karl Planck 1858 - 1947 : En 1900 Planck suppose que l'échange d'énergie entre la matière et l'onde électromagnétique ne peut se faire que de manière discontinue par l'intermédiaire de grains que l'on nommera par la suite quanta. Il démontre que l'énergie E est proportionnelle à la fréquence de l'onde. La constante de Planck est : h=6.626176x10-34 Joule par seconde.
