Diode Electoluminescente

1. Diode Electoluminescente A. Objectifs de la séquence: à l'issue de la séquence, il faut être capable de: •Comprendre le principe de fonctionnement de la diode et de la LED • Savoir retrouver les caractéristiques d’une LED à travers une documentation constructeur. • Calculer les éléments d’une structure permettant de commander une LED.

2. B.)Rappel sur la diode. Le dopage d'un semi-conducteur monocristallin avec des accepteurs d'un côté et des donneurs de l'autre donne une jonction PN . Le silicium, le germanium et l'arséniure de gallium sont les trois semi-conducteurs les plus utilisés. Si la recombinaison d'un e- et d'un t+ n'est pas radiative →pas d'émission de photon .

3. B.1)Les semi-conducteurs 1)Principe SI et GE 4 e- à la périphérie. Un atome de silicium , comporte 14 électrons dont 4 électrons de valence. Les forces de liaisons entre les atomes voisins résultent ,du partage de chaque électron de valence d'un atome de silicium , par un de ses quatre plus proches voisins. Par conséquent, en dépit de la disponibilité de quatre électrons de valence, peu d'entre eux sont libres pour contribuer à la conduction. Un semi-conducteur est donc un mauvais conducteur.

4. 2)Dopage Pour augmenter le nombre de porteurs, on introduit une impureté soigneusement contrôlée dans un semi-conducteur intrinsèque Le niveau de dopage habituel va de 1 atome d'impureté par 106 à 108 atomes de silicium. Seul les propriétés électriques du semi-conducteur changent notablement. La mobilité électronique s'accroît d'un facteur 100 à 1000.

5. C) LA DEL:(EN ANGLAIS LED LIGHT EMITTING DIODE) symbole: C.1) Principe: La recombinaison est radiative dans le cas du semi-conducteur à base de GaAs Pour que ce phénomène de recombinaison radiative se manifeste encore faut-il créer une forte population d'électrons dans la bande de conduction, et de trous dans la bande de valence. C'est ce processus qui est appliqué dans les diodes électroluminescentes et dans les diodes lasers, le phénomène portant le nom d'électroluminescence.

6. C.2) Avantages: Basse température de fonctionnement Stabilité mécanique (insensible aux vibrations) Faible encombrement Compatibilité TTL

7. C.3) EVOLUTION Le début des années 90 a vu l'apparition des premières LED bleues réalisées sur des couches de Nitrure de Gallium (GaN) déposées par épitaxie sur des substrats saphir . Par adjonction d'un matériau luminophore, il est possible "d'étendre" le spectre bleu et d'obtenir une émission sur plusieurs longueurs d'ondes aboutissant à une lumière "blanche"

8. Ces composants présentent maintenant un rendement lumineux de l'ordre de 20 Lumens par Watt, ce qui rentre en concurrence avec les systèmes d'éclairage par ampoules à incandescences.

9. Il est ainsi possible d'envisager le remplacement des technologies d'éclairage actuelles par des technologies semi-conducteurs à base de LED blanche.

10. C.4) Paramètres optiques et électriques C.4.1.) SPECTRE: Leur spectre d'émission au lieu de couvrir tout le domaine visible et même le proche infrarouge, présente une raie étroite, aussi bien pour une diode électroluminescente que pour une diode laser. La longueur d'onde dépend du matériau semi-conducteur

11. C.4.2.) LINEARITE La puissance lumineuse PL = f(IF) est pratiquement une droite sauf en cas d'échauffement. C.4.3) TEMPS DE REPONSE Il est égale à la durée de vie des e- dans la zone P (de 20 à 100ns)

12. C.4.4.) INTENSITE ENERGETIQUE Donnée en W/sr pour un courant IF donné

13. C 4.5) ANGLE D’EMISSION Angle total pour lequel la variation de puissance est divisée par 2. C.4.6) DIAGRAMME DE RAYONNEMENT:

14. C.4.6) Paramètres électriques • Tension inverse max en continu Vrmax Une DEL ne supporte pas une tension inverse très élevée (de 3 à 5V) • Courant direct max IFmax L’intensité est comprise entre 20mA et 350mA(LED blanche LUXEON) • Tension directe VF Relation entre la longueur d’onde de la LED et la tension directe VF

15. C.5) Commande d’une LED C.5.1) En continu IF ≤ IF max

16. C.5.2) En pulsé La caractéristique PL=f(IF) n’est pas la même ainsi que celle de IF=f(VF) Courant impulsionnel répétitif Le rapport cyclique delta

17. C.5.3) Commande en tension ou en courant ? : Il y a deux raisons pour piloter une LED en courant et non en tension: • La première est que la sortie de lumière est proportionnelle au courant (nb de porteurs traversant la jonction par seconde.) • La seconde est la stabilité thermique.

19. D) EXERCICES D.1) Lecture d’une documentation technique Utiliser la documentation technique de la LED CQF24 led pour fibre optique: Déterminer alors: VR max IF max Ie max Ptot longueur d'onde angle à mi-intensité θ1/2 D'aprés les caractéristiques , pour If=10mA en régime continu , que vaut Ie et VF ? En régime pulsé ζ=0.1 IFRM=100mA que vaut Ie et VF ?

21. D.2) Détermination des éléments permettant la commande d’une LED Led: CQF24 Transistor :Vbesat=0.7V ; Vcesat=0,2V ;β=100 a) Déterminer Les valeurs de RC et RB qui permettent de commander la led de façon optimale b) Déterminer Les valeurs de Rc ,Rb, Re qui permettent de commander la led de façon optimale On veut URe=0,5V