Le principe lumineux des LED

TousLa lampe de travail rechargeable, lampe de camping portableetlampe frontale multifonctionnelleUtilisez une ampoule LED. Pour comprendre le principe d'une diode LED, il est essentiel de maîtriser les notions fondamentales des semi-conducteurs. Les propriétés conductrices des matériaux semi-conducteurs se situent entre celles des conducteurs et des isolants. Leurs caractéristiques uniques sont les suivantes : lorsqu'un semi-conducteur est stimulé par la lumière ou la chaleur, sa conductivité varie considérablement ; l'ajout de faibles quantités d'impuretés à un semi-conducteur pur augmente significativement sa conductivité électrique. Le silicium (Si) et le germanium (Ge) sont les semi-conducteurs les plus couramment utilisés en électronique moderne ; ils possèdent quatre électrons de valence. Lorsque les atomes de silicium ou de germanium forment un cristal, les atomes voisins interagissent, ce qui entraîne le partage des électrons de valence entre deux atomes. Il en résulte une structure de liaison covalente au sein du cristal, une structure moléculaire peu contrainte. À température ambiante (300 K), l'excitation thermique permet à certains électrons de valence d'acquérir suffisamment d'énergie pour se détacher de la liaison covalente et devenir des électrons libres ; ce processus est appelé excitation intrinsèque. Lorsqu'un électron est libéré, une lacune apparaît dans la liaison covalente. Cette lacune est appelée un trou. L'apparition d'un trou est une caractéristique importante qui distingue un semi-conducteur d'un conducteur.

Lorsqu'une faible quantité d'impuretés pentavalentes, comme le phosphore, est ajoutée à un semi-conducteur intrinsèque, celui-ci acquiert un électron supplémentaire après avoir formé une liaison covalente avec d'autres atomes du semi-conducteur. Cet électron supplémentaire ne nécessite qu'une très faible énergie pour se détacher de cette liaison et devenir un électron libre. Ce type de semi-conducteur impur est appelé semi-conducteur électronique (semi-conducteur de type N). En revanche, l'ajout d'une faible quantité d'impuretés élémentaires trivalentes (comme le bore) à un semi-conducteur intrinsèque, ne possédant que trois électrons dans sa couche externe, crée une lacune dans le cristal après la formation d'une liaison covalente avec les atomes du semi-conducteur environnants. Ce type de semi-conducteur impur est appelé semi-conducteur à trous (semi-conducteur de type P). Lorsque des semi-conducteurs de type N et de type P sont combinés, la concentration d'électrons et de trous libres diffère à leur jonction. Les électrons et les trous diffusent vers la zone de plus faible concentration, laissant derrière eux des ions chargés mais immobiles qui perturbent la neutralité électrique initiale des régions de type N et de type P. Ces particules chargées immobiles sont souvent appelées charges d'espace, et elles sont concentrées près de l'interface des régions N et P pour former une région très mince de charge d'espace, connue sous le nom de jonction PN.

Lorsqu'une tension de polarisation directe est appliquée aux deux extrémités de la jonction PN (tension positive sur l'un des côtés de la jonction de type P), les trous et les électrons libres interagissent, créant un champ électrique interne. Les trous nouvellement injectés se recombinent ensuite avec les électrons libres, libérant parfois un excès d'énergie sous forme de photons : c'est la lumière émise par les LED. Ce spectre est relativement étroit et, chaque matériau possédant une bande interdite différente, les longueurs d'onde des photons émis varient. Ainsi, la couleur des LED est déterminée par les matériaux de base utilisés.