Explication des diodes électroluminescentes (DEL)

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La forme complète de la LED est la diode électroluminescente. Les LED sont un type spécial de diodes semi-conductrices qui émettent de la lumière en réponse à une différence de potentiel appliquée entre leurs bornes, d'où le nom de diode électroluminescente. Tout comme une diode normale, les LED ont également deux bornes avec polarité, à savoir l'anode et la cathode. Pour éclairer une LED, une différence de potentiel ou une tension est appliquée entre ses bornes d'anode et de cathode.

Aujourd'hui, les LED sont largement utilisées pour la fabrication de lampes LED de pointe à haute luminosité. Ceux-ci sont également couramment utilisés pour la fabrication de guirlandes lumineuses à LED décoratives et d'indicateurs à LED.



Bref historique

Bien que les LED soient considérées aujourd'hui comme un produit de l'industrie des semi-conducteurs de haute technologie, leur propriété d'éclairage a été identifiée il y a de nombreuses années. La première personne à avoir remarqué l'effet de lumière LED a été l'un des ingénieurs de Marconi, H. J. Round, qui est également bien connu pour plusieurs inventions de tubes à vide et de radio. Il a découvert cela en 1907 alors qu'il faisait des recherches avec Marconi sur les détecteurs à cristal à point de contact.

En 1907, le magazine Electrical World a été le premier à rendre compte de ces percées. Le concept LED est resté en sommeil pendant plusieurs années jusqu'à sa redécouverte en 1922 par le scientifique russe O.V. Losov.



Losov résidait à Leningrad, où il a été tragiquement tué pendant la Seconde Guerre mondiale. Il est possible que la plupart de ses créations aient été perdues pendant la guerre. Bien qu'il ait déposé un total de quatre brevets entre les années 1927 et 1942, ses recherches n'ont été reconnues qu'après sa mort.

Le concept LED est réapparu en 1951, lorsqu'un groupe de scientifiques sous la direction de K. Lehovec a commencé à étudier l'effet. L'enquête s'est poursuivie avec la participation d'autres organisations et chercheurs, dont W. Shockley (inventeur du transistor). Finalement, le concept LED a subi des améliorations importantes et a commencé à être commercialisé à la fin des années 1960.

Quel matériau semi-conducteur est utilisé dans une jonction LED ?

Essentiellement, les diodes électroluminescentes sont une jonction PN spécialisée réalisée à l'aide d'un semi-conducteur composé.

Le silicium et le germanium sont les deux semi-conducteurs les plus largement utilisés, mais comme ce ne sont que des éléments, les LED ne peuvent pas être fabriquées à partir d'eux.

À l'inverse, des matériaux tels que l'arséniure de gallium, le phosphure de gallium et le phosphure d'indium qui combinent deux éléments ou plus sont fréquemment utilisés pour fabriquer des LED. L'arséniure de gallium, par exemple, a une valence de trois et l'arsenic a une valence de cinq, et par conséquent, les deux sont classés comme semi-conducteurs du groupe III-V.

Les matériaux appartenant au groupe III-V peuvent également être utilisés pour créer d'autres semi-conducteurs composés.

Lorsqu'une jonction semi-conductrice est polarisée en direct, les trous de la région de type P et les électrons de la région de type N pénètrent dans la jonction et se combinent, comme ils le feraient dans une diode normale.

Le courant se déplace à travers la jonction de cette manière.

De l'énergie est libérée en conséquence, dont certaines sont émises comme des photons (lumière). Afin de garantir que la moindre quantité de photons (lumière) est absorbée par la structure, le côté P de la jonction, qui produit la majorité de la lumière dans la plupart des cas, est positionné le plus près de la surface de l'appareil.

La jonction doit être parfaitement optimisée et les bons matériaux doivent être utilisés pour créer de la lumière visible. La région infrarouge du spectre est l'endroit où l'arséniure de gallium pur émet son énergie.

Comment les LED obtiennent leurs couleurs

L'aluminium est introduit dans le semi-conducteur pour produire de l'arséniure de gallium et d'aluminium, qui déplace la lumière LED vers l'extrémité rouge vif du spectre (AIGaAs).

La lumière rouge peut également être produite en ajoutant du phosphore.

Divers matériaux sont utilisés pour d'autres couleurs de LED. Par exemple, le phosphure de gallium émet une lumière verte, tandis que la lumière jaune et orange est produite par le phosphure d'aluminium, d'indium et de gallium. La majorité des LED sont constituées de semi-conducteurs au gallium.

Les LED sont fabriquées avec deux structures

La diode à émission de surface et la diode à émission par le bord, que l'on voit sur les Fig. 1 A et B, respectivement, sont les deux architectures principales utilisées pour les LED. La diode à émission de surface est la plus populaire d'entre elles car elle produit de la lumière sur un angle plus large.

Après la fabrication, la structure LED doit être enfermée de manière à pouvoir être utilisée en toute sécurité sans endommager la LED.

La majorité des minuscules indicateurs LED sont encapsulés dans une colle époxy avec un indice de réfraction qui se situe quelque part entre celui du semi-conducteur et celui de l'air ambiant (voir Fig. 2 ci-dessous). La diode est ainsi parfaitement préservée, et la lumière est transférée vers le monde extérieur de la manière la plus efficace.

Spécification de la tension directe (VF) des LED

Étant donné que les LED sont des dispositifs sensibles au courant, la tension appliquée ne doit jamais dépasser la spécification de tension directe minimale de la LED. La spécification de tension directe d'une LED (VF) est simplement le niveau de tension optimal qui peut être utilisé pour éclairer la LED en toute sécurité et avec éclat. Si le courant dépasse la spécification de tension directe de la LED, la LED brûlera et sera définitivement endommagée.

Dans le cas où la tension d'alimentation est supérieure à la tension directe de la LED, une résistance calculée est utilisée en série avec l'alimentation pour limiter le courant vers la LED. Cela garantit que la LED peut éclairer en toute sécurité avec une luminosité optimale.

La valeur de tension directe de la plupart des LED aujourd'hui est d'environ 3,3 V. Qu'il s'agisse d'une LED rouge, verte ou jaune, toutes peuvent généralement être éclairées en appliquant 3,3 V sur leurs bornes d'anode et de cathode.

La tension d'alimentation de la LED doit être un courant continu. Un courant alternatif peut également être utilisé, mais la LED doit alors être connectée à une diode de redressement. Cela garantit que le changement de polarité de la tension alternative ne cause aucun dommage à la LED.

Courant de limitation

Les LED, tout comme les diodes normales, n'ont pas de limitation de courant inhérente. Par conséquent, s'il est connecté directement sur une batterie, il sera brûlé.

Si l'alimentation CC est d'environ 3,3 V, la LED ne nécessitera pas de résistance de limitation. Cependant, si la tension d'alimentation est supérieure à 3,3 V, une résistance sera nécessaire en série avec la borne LED.

La résistance peut être connectée soit en série avec la borne d'anode de la LED, soit avec la borne de cathode de la LED.

Pour éviter tout dommage, une résistance doit être connectée au circuit pour contrôler le courant. Les voyants indicateurs normaux ont une spécification de courant maximale d'environ 20 mA ; si le courant est limité en dessous, la puissance lumineuse de la LED diminuera proportionnellement.

Comme illustré sur la figure 3 ci-dessus, la tension aux bornes de la LED elle-même peut devoir être prise en compte lors de l'estimation de la quantité de courant consommée. Parce que si la tension augmente, la consommation de courant augmentera également proportionnellement.

La formule de calcul de la résistance de limitation est la suivante :

R = V - LED FWD V / LED Courant

  • Ici, V représente l'alimentation CC d'entrée.
  • LED FWD V est la spécification de tension directe de la LED.
  • Le courant de la LED indique la capacité maximale de gestion du courant de la LED.

Supposons que V = 12 V, LED FWD V = 3,3 V et courant LED = 20 mA, alors la valeur de R peut être résolue de la manière suivante :

R = 12 - 3,3 / 0,02 = 435 Ohms, la valeur standard la plus proche est 470 Ohms.

La puissance sera = 12 - 3,3 x 0,02 = 0,174 watts ou simplement un 1/4 watt fera l'affaire.