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La Technologie LED pour l’éclairage

Explications sur la technologie LED

Un article qui vous éclaire sur la technologie LED: Le principe physique d’émission de lumière, la technologie pour les LED blanches, les intégrations des LED pour l’éclairage et leurs caractéristiques.

Définition

LED : Light-Emitting Diode ou en français DEL Diode Electro-Luminescente.

La technologie LED est une technologie d’émission de lumière dont les applications principales sont l’éclairage et le display (écran) basée sur un phénomène électro-optique; à savoir l’injection d’un courant électrique dans une puce formée par une jonction (appelée diode) entre 2 matériaux semiconducteurs. Le courant injecté se recombine dans la jonction pour émettre de la lumière monochromatique.

Luminaire Lumeninside

Principe physique d’émission de lumière des LED

Le schéma ci-dessous décrit de manière simple l’injection de courant dans une diode sous polarisation c’est à dire l’application d’une tension à ses bornes. Une diode est une jonction entre un matériau semiconducteur dopé N (majoritaire en électrons dans la bande de conduction) et un semiconducteur dopé P (majoritaire en trous dans la bande de valence). Il existe des diodes standards utilisés pour leurs propriétés électriques uniquement. Pour les diodes dites électroluminescentes (DEL), à l’interface de la jonction les électrons se recombinent avec les trous. C’est-à-dire que les électrons majoritaires venant du matériau dopé N perdent de l’énergie et tombent dans la bande de valence car elle n’est pas totalement remplie d’électrons ; Elle possède une concentration en trous autrement dit des « absences » d’électrons majoritaires venant du matériau dopé P.

Technologie LED principe
Polarisation d 'une diode électroluminescente - Jonction PN entre 2 semiconducteurs: réference

Quand un électron perd de l’énergie, il émet de la lumière et la longueur d’onde de cette lumière émise est reliée à la différence d’énergie (ΔE) que perd l’électron (cf physique quantique).

ΔE = Energie bande de conduction – Energie bande de valence = h x ν = h x c / λ

  • ν est la fréquence de la lumière
  • c est une constante de la physique, la vitesse de la lumière
  • λ est la longueur d’onde de la lumière (c’est-à-dire sa couleur)

 

Cette existence d’une différence d’énergie entre la bande de conduction et la bande de valence appelée le gap (ou bandgap en anglais) est la base des propriétés des matériaux semiconducteurs. La condition pour que la lumière soit émise est que le semiconducteur soit à gap direct. Les diodes electroluminescentes (LED) sont ainsi fabriquées avec des semiconducteurs à gap direct.

Les diodes standards sont fabriquées avec des semiconducteurs à gap indirect. Par exemple le silicium matériau semiconducteur très utilisé en fabrication microélectronique est à gap indirect; il ne peut pas émettre de lumière. Cependant à l’inverse il peut absorber la lumière pour produire de l’électricité (cellule photovoltaique).

En choisissant le bon matériau avec un gap direct donné (ΔE) on peut ainsi choisir la longueur d’onde émise (la couleur de la lumière). Pour les LED blanches, le matériau utilisé est le GaN (Gallium Nitride dopé N et P) et en plus dans la région qui recombine on forme des puits quantiques à base InGaN (Indium Gallium Nitride). Le puits quantique a pour objectif d’augmenter le rendement de recombinaison en piégeant les électrons et trous car son gap est plus faible. Les électrons et trous injectés « tombent » dans le puits quantique facilitant ainsi la recombinaison en lumière (meilleur rendement quantique).

Technologie LED - puits quantique
Jonction PN et puits quantique pour les LED

Pour les LED blanches la longueur d’onde émise est de 450nm (bleu). En utilisant d’autres matériaux que le InGaN, on peut émettre d’autres longueurs d’onde  (LED verte, LED rouge, LED UV , LED IR..etc).

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Les LED blanches et la phosphorescence

Pour les LED blanches, une partie de la lumière bleue (450nm) émise par la LED est transformée par un matériau de type phosphore dispensé au-dessus de la jonction. Phosphore est le nom générique donné au matériau qui est en réalité composé par un assemblage de plusieurs matériaux complexes. Le phosphore absorbe une partie de la lumière bleue pour réémettre un fond de lumière continue (phosphorescence) centrée sur le jaune (car jaune + bleu= blanc).

Ainsi en ajustant l’épaisseur du phosphore et sa composition on peut ajuster la température de couleur de la LED blanche: plus de phosphore absorbe plus de bleu (pic de bleu plus faible) et émet plus de jaune (pic de jaune plus fort) et vice- versa. Le spectre lumineux qui représente toute la lumière émise (bleu de la LED + fond jaune du phosphore) en fonction de la longueur d’onde peut de cette manière être ajusté pour obtenir une lumière blanche de chaud à froid (2600K à 6500K).

LED blanche
Spectre d'une LED blanche : émission de bleu du semiconducteur + fond jaune d'émission du phosphore

Cette technologie est la plus employée pour produire des LED blanches car la fabrication de LED à émission de bleu est bien maitrisée en production pour des puissances nécessaires à l’éclairage. Cependant il est possible de produire des LED blanche par addition d’autres couleurs monochromatiques; par exemple en combinant 3 LED RVB (rouge + vert + bleu) et notamment pour des applications de display (écrans) qui requièrent moins de puissance que l’éclairage.

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Les différents niveaux d’intégration des LED

On distingue selon le niveau d’intégration du plus simple au plus assemblé :

  • La puce LED qui est le composant unitaire qui émet la lumière.
  • Les modules LED qui sont l’assemblage de plusieurs puces LED sur une carte électronique.
  • Les lampes LED qui sont l’assemblage d’un ou plusieurs modules LED, d’une alimentation intégrée ou non et d’une partie optique pour distribuer la lumière.
  • Les luminaires LED qui peuvent embarquer plusieurs lampes LED et une alimentation intégrée ou non et éventuellement des parties optiques complémentaires.
Puces LED
Puces LED - SMD (phosphore en jaune)
Module LED
Module LED
Lampe LED
Lampe LED
Luminaire LED
Luminaire LED
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Caractéristiques des LED

Le tableau ci-dessous donnent les caractéristiques principales pour une puce LED unitaire SMD 4014 en masse production. La masse production implique une certaine variabilité exprimée dans les spécifications par le max et min. Le typique (typ) est la moyenne de la distribution en production.

Technologie LED flux lumineux
Flux lumineux (lumen) versus température de couleur (Correlated Color Temperature CCT)
Technologie LED caractéristiques
Caractéristiques électro-optique d'une puce SMD 4014 à Température ambiante 25°C

Le flux lumineux Φ (unité lumen) est la quantité totale émise de lumière selon toutes les directions. Il est mesuré en conditions standard d’utilisation : une polarisation directe (forward) de 3,1 Volt de la jonction et un courant de 60mA. Il varie légèrement selon la température de couleur (2700K blanc chaud à 6500K blanc froid). En effet la quantité de phosphore et sa composition varie selon la température de couleur et conduit a des rendement de conversions plus faible pour les couleurs chaudes (plus de bleu absorbé par le phosphore pour être transformé en jaune et par conséquent le rendement de conversion du phosphore entraine un perte plus grande de lumière).

L’angle de vue est l’angle solide qui contient 50% du flux lumineux total. L’indice de rendu de couleur (IRC ou CRI en anglais) est un coefficient qui donne une indication de la qualité du rendu des couleurs illuminées sous le flux de la LED par rapport à des lumières de références. L’IRC maximum est de 100.

Conclusion

Pour un luminaire LED, les caractéristiques finales du luminaire dépendent de l’intégration des puces LED unitaires dans les modules et les lampes LED embarqués dans le luminaire.

L’alimentation du luminaire est dimensionnée en courant/tension pour piloter l’ensemble des puces LED organisées en série/parallèle (plusieurs dizaines voir centaines). Elle fournit la puissance nécessaire au luminaire (Watt). L’efficacité énergétique (lm/W) est définie par le rapport de la puissance lumineuse (lumen) émise par la puissance électrique fournie (Watt).

Technologie LED pour l'éclairage

Technologie LED pour l'éclairage - explication | Lumeninside

Explications sur la technologie LED pour l'éclairage - Principe de fonctionnement de la LED, la LED blanche, ses intégrations et ses caractéristiques.

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