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Fonctionnement d’une Led : Led de couleur et Led blanche

Dossier - Les Led, l’éclairage de demain
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Des phares de voiture aux luminaires du salon, les Led sont partout. Apprenez comment elles fonctionnent, comment on les fabrique, et les raisons qui font des Led les sources de lumière de choix pour demain. Les paramètres qui distinguent les Led seront aussi passés en revue.

  
DossiersLes Led, l’éclairage de demain
 

Une Led (light emitting diode, ou encore diode électroluminescente) est un composant électronique qui émet de la lumière à partir d'une excitation électrique.

Feux arrière de voiture en LED.© Hans, Domaine public

Un semi-conducteur, fabriqué à partir de l'empilement de couches de différents matériaux et d'épaisseurs différentes, constitue ce que nous pourrions appeler le moteur du composant en créant une jonction semi-conductrice. Celui-ci est soudé sur un support qui est à la fois conducteur de courant et de chaleur, puis protégé par une couche de matériau transparent, permettant de laisser passer la lumière émise (souvent un dôme de silicone dans le cas des Led de puissance).

Les applications qui utilisent les Led sont très nombreuses, de l’éclairage domestique aux feux de voiture. © Led Engineering Development

Cette lumière est relativement monochromatique (sa largeur d'émission en termes de longueur d'onde est étroite, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres), et pour pouvoir émettre de la lumière blanche, une couche de luminophore permet de convertir cette lumière monochromatique en lumière de plus large spectre (voir l'image ci-dessous).

Schéma d'une Led de puissance blanche. La couche de luminophore permet d’élargir le spectre d’émission de la Led. © Semileds

Suivant les fabricants, l'alimentation électrique du semi-conducteur est faite par l'intermédiaire de fils d'or (de diamètre de quelques dizaines de microns) ou par des méthodes de via électrique au travers du semi-conducteur lui-même, sorte de petits puits métallisés conduisant donc le courant (voir ci-dessous).

En appliquant une polarité aux bornes de la Led et en lui injectant un courant (maîtrisé), le semi-conducteur va émettre de la lumière (relativement monochromatique). Suivant la fabrication du semi-conducteur et des différents matériaux employés, la couleur émise sera différente, allant de l'UV (certaines Led émettent autour de 275 nm) au proche infrarouge (850 nm).

Schéma d’une Led de puissance blanche. On distingue nettement les via électriques, qui conduisent le courant au travers du semi-conducteur. © Nichia

La principale différence entre les Led blanches et les Led de couleur réside dans le fait que les Led blanches possèdent un luminophore supplémentaire de couleur jaune-orange permettant de reconstituer un spectre d’émission relativement plat. Pour cela, le semi-conducteur émet une lumière bleue (et monochromatique), qui est absorbée en partie par le luminophore et transformée par celui-ci en couleurs allant du vert au rouge. La superposition de cette émission et du bleu qui n'a pas été absorbé permet de recréer le spectre de la lumière blanche ou tout du moins de s'en rapprocher (voir la figure ci-dessous).

Méthode de création d’un spectre de lumière blanche. La Led blanche (a) contient un luminophore (b) qui émet dans des longueurs d’onde différentes de celles produites par le semi-conducteur (ici le bleu, c). Le tout est complémentaire, et permet d’obtenir une lumière blanche (d). © Led Engineering Development

Les premières Led blanches, qui étaient fabriquées à la fin des années 1990, mettaient en œuvre des luminophores de qualité toute relative, et le mode de dépôt de ces luminophores, couplé à cette qualité, aboutissait souvent à des spectres bleutés (voir ci-dessus), où la part de bleu non absorbée était difficilement maîtrisable et souvent trop importante (température de couleur froide des Led).

Une autre raison peut être évoquée à cette colorimétrie. Le manque de rendement des puces semi-conductrices bleues de cette époque ne permettait pas de mettre en œuvre des luminophores plus absorbants (afin de restituer les autres couleurs du spectre), qui pour nombre d'entre eux existaient déjà, et étaient issus des technologies précédentes. Il faut rappeler que la société Nichia, actuellement un des leaders dans la fabrication des Led, était avant tout un fabricant de luminophores, notamment pour le marché des tubes fluorescents.