Qu'est-ce que la diode électroluminescente: fonctionnement et ses applications

La diode électroluminescente est une source de lumière semi-conductrice à deux conducteurs. En 1962, Nick Holonyak a eu l'idée d'une diode électroluminescente et il travaillait pour la compagnie d'électricité générale. La LED est un type spécial de diode et ils ont des caractéristiques électriques similaires à une diode à jonction PN. Par conséquent, la LED permet la circulation du courant dans le sens direct et bloque le courant dans le sens inverse. La LED occupe une petite zone qui est inférieure à 1 millimètre^deux . Les applications des LED utilisé pour réaliser divers projets électriques et électroniques. Dans cet article, nous discuterons du principe de fonctionnement de la LED et de ses applications.

Qu'est-ce qu'une diode électroluminescente?

La diode électroluminescente est un diode de jonction p-n . C'est une diode spécialement dopée et composée d'un type spécial de semi-conducteurs. Lorsque la lumière émet en polarisation directe, on parle alors de diode électroluminescente.

Diode électro-luminescente

Symbole LED

Le symbole LED est similaire à un symbole diode à l'exception de deux petites flèches qui spécifient l'émission de lumière, il est donc appelé LED (diode électroluminescente). La LED comprend deux bornes à savoir l'anode (+) et la cathode (-). Le symbole LED est illustré ci-dessous.

Symbole LED

Construction de LED

La construction de la LED est très simple car elle est conçue par le dépôt de trois couches de matériau semi-conducteur sur un substrat. Ces trois couches sont disposées une par une où la région supérieure est une région de type P, la région médiane est active et enfin, la région inférieure est de type N. Les trois régions du matériau semi-conducteur peuvent être observées dans la construction. Dans la construction, la région de type P comprend les trous, la région de type N comprend des élections tandis que la région active comprend à la fois des trous et des électrons.

Lorsque la tension n'est pas appliquée à la LED, il n'y a pas de flux d'électrons et de trous, ils sont donc stables. Une fois que la tension est appliquée, la LED sera polarisée en direct, de sorte que les électrons de la région N et les trous de la région P se déplaceront vers la région active. Cette région est également connue sous le nom de région d'épuisement. Parce que les porteurs de charge comme les trous incluent une charge positive alors que les électrons ont une charge négative, la lumière peut donc être générée par la recombinaison des charges de polarité.

Comment fonctionne la diode électroluminescente?

La diode électroluminescente simplement, on la connaît sous le nom de diode. Lorsque la diode est polarisée en direct, les électrons et les trous se déplacent rapidement à travers la jonction et ils sont constamment combinés, se retirant les uns des autres. Peu de temps après que les électrons passent du silicium de type n au silicium de type p, il se combine avec les trous, puis il disparaît. Par conséquent, cela rend l'atome complet et plus stable et il donne le petit éclat d'énergie sous la forme d'un petit paquet ou d'un photon de lumière.

Fonctionnement de la diode électroluminescente

Le diagramme ci-dessus montre le fonctionnement de la diode électroluminescente et le processus étape par étape du diagramme.

• A partir du diagramme ci-dessus, nous pouvons observer que le silicium de type N est de couleur rouge, y compris les électrons qui sont indiqués par les cercles noirs.
• Le silicium de type P est de couleur bleue et il contient des trous, ils sont indiqués par les cercles blancs.
• L'alimentation électrique à travers la jonction p-n rend la diode polarisée en direct et pousse les électrons du type n au type p. Pousser les trous dans la direction opposée.
• L'électron et les trous à la jonction sont combinés.
• Les photons sont émis lorsque les électrons et les trous sont recombinés.

Histoire de la diode électroluminescente

Les LED ont été inventées en 1927 mais pas une nouvelle invention. Un bref examen de l'histoire des LED est présenté ci-dessous.

• En 1927, Oleg Losev (inventeur russe) a créé la première LED et a publié une théorie sur ses recherches.
• En 1952, le professeur Kurt Lechovec a testé les théories des théories des perdants et expliqué les premières LED
• En 1958, la première LED verte a été inventée par Rubin Braunstein & Egon Loebner
• En 1962, une LED rouge a été développée par Nick Holonyak. Ainsi, la première LED est créée.
• En 1964, IBM a implémenté des LED sur un circuit imprimé pour la première fois sur un ordinateur.
• En 1968, HP (Hewlett Packard) a commencé à utiliser des LED dans les calculatrices.
• En 1971, Jacques Pankove et Edward Miller ont inventé une LED bleue
• En 1972, M. George Crawford (ingénieur électricien) a inventé la LED de couleur jaune.
• En 1986, Walden C. Rhines et Herbert Maruska de l'Université de Stafford ont inventé une LED de couleur bleue avec du magnésium, y compris les futures normes.
• En 1993, Hiroshi Amano et les physiciens Isamu Akaski ont développé un nitrure de gallium avec des LED de couleur bleue de haute qualité.
• Un ingénieur électricien comme Shuji Nakamura a développé la première LED bleue à haute luminosité grâce aux développements d'Amanos & Akaski, ce qui conduit rapidement à l'expansion des LED de couleur blanche.
  En 2002, des LED de couleur blanche ont été utilisées à des fins résidentielles, ce qui chargeait entre 80 et 100 £ pour chaque ampoule.
• En 2008, les lumières LED sont devenues très populaires dans les bureaux, les hôpitaux et les écoles.
• En 2019, les LED sont devenues les principales sources de lumière
• Le développement des LED est incroyable, car il va de la petite indication à l'éclairage des bureaux, des maisons, des écoles, des hôpitaux, etc.

Circuit de diode électroluminescente pour la polarisation

La plupart des LED ont des tensions nominales de 1 volt-3 volts alors que les valeurs nominales de courant direct vont de 200 mA à 100 mA.

Polarisation des LED

Si la tension (1V à 3V) est appliquée à la LED, elle fonctionne correctement car le flux de courant pour la tension appliquée sera dans la plage de fonctionnement. De même, si la tension appliquée à une LED est supérieure à la tension de fonctionnement, la région d'appauvrissement dans la diode électroluminescente se décomposera en raison du flux élevé de courant. Ce flux de courant élevé inattendu endommagera l'appareil.

Cela peut être évité en connectant une résistance en série avec la source de tension et une LED. Les valeurs de tension de sécurité des LED seront comprises entre 1 V et 3 V, tandis que les valeurs de courant de sécurité vont de 200 mA à 100 mA.

Ici, la résistance qui est disposée entre la source de tension et la LED est connue sous le nom de résistance de limitation de courant car cette résistance restreint le flux de courant, sinon la LED peut la détruire. Cette résistance joue donc un rôle clé dans la protection de la LED.

Mathématiquement, le flux de courant à travers la LED peut être écrit comme

IF = Vs - VD / Rs

Où,

«IF» est un courant direct

«Vs» est une source de tension

«VD» est la chute de tension aux bornes de la diode électroluminescente

«Rs» est une résistance de limitation de courant

La quantité de tension a chuté pour vaincre la barrière de la région d'appauvrissement. La chute de tension de la LED sera comprise entre 2V et 3V tandis que la diode Si ou Ge est de 0,3 sinon 0,7 V.

Ainsi, la LED peut fonctionner en utilisant une tension élevée par rapport aux diodes Si ou Ge.
Les diodes électroluminescentes consomment plus d'énergie que les diodes en silicium ou en germanium pour fonctionner.

Types de diodes électroluminescentes

Il y a différents types de diodes électroluminescentes présent et certains d’entre eux sont mentionnés ci-dessous.

• Arséniure de gallium (GaAs) - infrarouge
• Phosphure d'arséniure de gallium (GaAsP) - rouge à infrarouge, orange
• Phosphure d'arséniure d'aluminium et de gallium (AlGaAsP) - rouge, orange-rouge, orange et jaune à haute luminosité
• Phosphure de gallium (GaP) - rouge, jaune et vert
• Phosphure d'aluminium et de gallium (AlGaP) - vert
• Nitrure de gallium (GaN) - vert, vert émeraude
• Nitrure de gallium et d'indium (GaInN) - proche de l'ultraviolet, bleu-vert et bleu
• Carbure de silicium (SiC) - bleu comme substrat
• Séléniure de zinc (ZnSe) - bleu
• Nitrure d'aluminium et de gallium (AlGaN) - ultraviolet

Principe de fonctionnement de la LED

Le principe de fonctionnement de la diode électroluminescente est basé sur la théorie quantique. La théorie quantique dit que lorsque l'électron descend du niveau d'énergie supérieur au niveau d'énergie inférieur, l'énergie émet du photon. L'énergie des photons est égale à l'écart d'énergie entre ces deux niveaux d'énergie. Si la diode à jonction PN est polarisée en direct, alors le courant traverse la diode.

Principe de fonctionnement de la LED

Le flux de courant dans les semi-conducteurs est provoqué par le flux de trous dans le sens opposé du courant et le flux d'électrons dans le sens du courant. Il y aura donc une recombinaison due au flux de ces porteurs de charge.

La recombinaison indique que les électrons dans la bande de conduction sautent vers la bande de valence. Lorsque les électrons sautent d'une bande à une autre, les électrons émettent de l'énergie électromagnétique sous forme de photons et l'énergie des photons est égale à l'écart d'énergie interdit.

Par exemple, considérons la théorie quantique, l'énergie du photon est le produit à la fois de la constante de Planck et de la fréquence du rayonnement électromagnétique. L'équation mathématique est affichée

Eq = hf

Où il est connu sous le nom de constante de Planck, et la vitesse du rayonnement électromagnétique est égale à la vitesse de la lumière, c'est-à-dire c. Le rayonnement de fréquence est lié à la vitesse de la lumière comme un f = c / λ. λ est désigné comme une longueur d'onde du rayonnement électromagnétique et l'équation ci-dessus deviendra comme un

Éq = he / λ

À partir de l'équation ci-dessus, nous pouvons dire que la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique est inversement proportionnelle à l'intervalle interdit. Dans le silicium général, les semi-conducteurs de germanium cet écart d'énergie interdit est entre les bandes de condition et de valence sont tels que le rayonnement total de l'onde électromagnétique lors de la recombinaison est sous forme de rayonnement infrarouge. Nous ne pouvons pas voir la longueur d’onde des infrarouges car ils sont hors de notre portée visible.

On dit que le rayonnement infrarouge est sous forme de chaleur parce que le silicium et les semi-conducteurs de germanium ne sont pas des semi-conducteurs à gap direct, mais plutôt des semi-conducteurs à gap indirect. Mais dans les semi-conducteurs à gap direct, le niveau d'énergie maximum de la bande de valence et le niveau d'énergie minimum de la bande de conduction ne se produisent pas au même moment des électrons. Par conséquent, lors de la recombinaison des électrons et des trous lors de la migration des électrons de la bande de conduction vers la bande de valence, l'impulsion de la bande d'électrons sera modifiée.

LED blanches

La fabrication de LED peut se faire à travers deux techniques. Dans la première technique, les puces LED comme le rouge, le vert et le bleu sont fusionnées dans un boîtier similaire pour générer de la lumière blanche tandis que dans la seconde technique, la phosphorescence est utilisée. La fluorescence dans le luminophore peut être résumée dans l'époxy environnant, puis la LED sera activée par l'énergie à courte longueur d'onde à l'aide du dispositif LED InGaN.

Les différentes lumières de couleur comme les lumières bleues, vertes et rouges sont combinées en quantités variables pour produire une sensation de couleur différente qui est connue sous le nom de couleurs additives primaires. Ces trois intensités lumineuses s'ajoutent également pour générer la lumière blanche.

Mais, pour atteindre cette combinaison grâce à une combinaison de LED vertes, bleues et rouges qui nécessitent une conception électro-optique compliquée pour contrôler la combinaison et la diffusion de différentes couleurs. En outre, cette approche peut être compliquée en raison des changements dans la couleur des LED.

La gamme de produits de LED blanches dépend principalement d'une seule puce LED utilisant un revêtement de phosphore. Ce revêtement génère une lumière blanche une fois frappée par des photons ultraviolets sinon bleus. Le même principe est également appliqué aux ampoules fluorescentes. L'émission d'ultraviolets à partir d'une décharge électrique à l'intérieur du tube fera clignoter le luminophore en blanc.

Même si ce processus de LED peut générer différentes teintes, les différences peuvent être contrôlées par le dépistage. Les dispositifs à base de LED blanches sont criblés en utilisant quatre coordonnées de chromaticité exactes adjacentes au centre du diagramme CIE.

Le diagramme CIE décrit toutes les coordonnées de couleur réalisables dans la courbe en fer à cheval. Les couleurs claires se trouvent au-dessus de l'arc, mais la pointe blanche est au centre. La couleur de sortie de la LED blanche peut être représentée par quatre points qui sont représentés au milieu du graphique. Même si les quatre coordonnées graphiques sont proches du blanc pur, ces LED ne sont généralement pas efficaces comme une source de lumière commune pour éclairer des lentilles colorées.

Ces LED sont principalement utiles pour les lentilles blanches sinon claires, rétro-éclairées opaques. Lorsque cette technologie continuera à progresser, les LED blanches gagneront certainement une réputation de source et d'indication d'éclairage.

Efficacité lumineuse

L'efficacité lumineuse des LED peut être définie comme le flux lumineux produit en lm pour chaque unité et la puissance électrique peut être utilisée dans les W.L'ordre d'efficacité interne nominal de la LED de couleur bleue est de 75 lm / W les LED ambrées ont 500 lm / W et rouge Les LED ont 155 lm / W. En raison de la réabsorption interne, les pertes peuvent être prises en compte dans l'ordre des gammes d'efficacité lumineuse de 20 à 25 lm / W pour les LED vertes et orange. Cette définition d'efficacité est également connue sous le nom d'efficacité externe et est analogue à la définition d'efficacité normalement utilisée pour d'autres types de sources lumineuses comme les LED multicolores.

Diode électroluminescente multicolore

Une diode électroluminescente qui produit une couleur une fois connectée en polarisation directe et produit une couleur une fois connectée en polarisation inverse est connue sous le nom de LED multicolore.

En fait, ces LED comprennent deux jonctions PN et la connexion de celles-ci peut se faire en parallèle avec l'anode de l'une qui est reliée à la cathode de l'autre.

Les LED multicolores sont normalement rouges une fois qu'elles sont polarisées dans une direction et vertes une fois qu'elles sont polarisées dans une autre direction. Si cette LED est allumée très rapidement entre deux polarités, cette LED générera une troisième couleur. Une LED verte ou rouge générera une lumière de couleur jaune une fois commutée rapidement en arrière et en avant entre les polarités de polarisation.

Quelle est la différence entre une diode et une LED?

La principale différence entre une diode et une LED comprend les éléments suivants.

Caractéristiques I-V de la LED

Il existe différents types de diodes électroluminescentes disponibles sur le marché et il existe différentes caractéristiques des LED qui incluent la lumière de couleur ou le rayonnement de longueur d'onde, l'intensité lumineuse. La caractéristique importante de la LED est la couleur. Dans l'utilisation initiale de la LED, il y a la seule couleur rouge. Au fur et à mesure que l'utilisation de la LED augmente à l'aide du processus des semi-conducteurs et de la recherche sur les nouveaux métaux pour la LED, les différentes couleurs se sont formées.

Caractéristiques I-V de la LED

Le graphique suivant montre les courbes approximatives entre la tension directe et le courant. Chaque courbe du graphique indique une couleur différente. Le tableau présente un résumé des caractéristiques des LED.

Caractéristiques de la LED

Quels sont les deux types de configurations de LED?

Les configurations standard de LED sont deux émetteurs similaires ainsi que des COB

L'émetteur est une puce unique montée sur une carte de circuit imprimé, puis sur un dissipateur thermique. Cette carte de circuit imprimé fournit de l'énergie électrique vers l'émetteur, tout en évacuant la chaleur.

Pour aider à réduire les coûts et à améliorer l'uniformité de la lumière, les enquêteurs ont déterminé que le substrat LED peut être détaché et que la puce unique peut être montée ouvertement sur la carte de circuit imprimé. Cette conception s'appelle donc COB (puce à bord).

Avantages et inconvénients des LED

Le avantages de la diode électroluminescente inclure les éléments suivants.

• Le coût des LED est moindre et ils sont minuscules.
• En utilisant la LED, l’électricité est contrôlée.
• L'intensité de la LED diffère à l'aide du microcontrôleur.
• Longue durée de vie
• A faible consommation
• Pas de période d'échauffement
• Robuste
• N'affecte pas les températures froides
• Directionnel
• Le rendu des couleurs est excellent
• Écologique
• Contrôlable

Le inconvénients de la diode électroluminescente inclure les éléments suivants.

• Prix
• Sensibilité à la température
• Dépendance à la température
• Qualité de la lumière
• Polarité électrique
• Sensibilité à la tension
• Baisse d'efficacité
• Impact sur les insectes

Applications de la diode électroluminescente

Il existe de nombreuses applications de la LED et certaines d'entre elles sont expliquées ci-dessous.

• La LED est utilisée comme ampoule dans les maisons et les industries
• Les diodes électroluminescentes sont utilisées dans les motos et les voitures
• Ceux-ci sont utilisés dans les téléphones mobiles pour afficher le message
• Aux feux de signalisation, des LED sont utilisées

Ainsi, cet article traite un aperçu de la diode électroluminescente principe de fonctionnement du circuit et application. J'espère qu'en lisant cet article, vous avez obtenu des informations de base et de fonctionnement sur la diode électroluminescente. Si vous avez des questions sur cet article ou sur le projet électrique de dernière année, n'hésitez pas à commenter dans la section ci-dessous. Voici une question pour vous, Qu'est-ce que la LED et comment ça marche?