Diode électroluminescente

Une diode électroluminescente (abrégé en DEL en français, ou LED, de l'), est un dispositif opto-électronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Une diode électroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens (le sens passant, comme une diode classique, l'inverse étant le sens bloquant) et produit un rayonnement monochromatique ou polychromatique non cohérent à partir de la conversion d’énergie électrique lorsqu'un courant la traverse.
Elle compte plusieurs dérivées, principalement, l'OLED, l'AMOLED ou le FOLED (pour flexible oled). En raison de leur rendement lumineux, les LED pourraient représenter 75 % du marché de l'éclairage domestique et automobile avant 2020. Elles sont aussi utilisées dans la construction des écrans plats de télévision : pour le rétroéclairage des écrans à cristaux liquides ou comme source d'illumination principale dans les télévisions à OLED.
Les premières LED à être commercialisées ont produit de la lumière infrarouge, rouge, verte puis jaune. L'arrivée de la LED bleue, associée aux progrès techniques et d'assemblage permet de couvrir . Les claviers RGB et certains téléphones mobiles sont en 2016 munis de LED composites (trois LED réunies en une avec un câblage approprié) permettant une riche gamme d'effets.
La première émission de lumière par un semi-conducteur date de 1907 et fut découverte par . En 1927, dépose le premier brevet de ce qui sera appelé, bien plus tard, une diode électroluminescente. 
Ce n’est qu’en 1962 que la première LED rouge est créée par Nick Holonyak Jr et . Durant quelques années, les chercheurs se sont limités à quelques couleurs telles que le rouge (1962), le jaune et plus tard le bleu (1972) ou le vert.
Dans les années 1990, les recherches, entre autres, de Shuji Nakamura et Takashi Mukai de Nichia, dans la technologie des semi-conducteurs InGaN permirent la création de LED bleues de forte luminosité, ensuite adaptées en LED blanches, par adjonction d'un luminophore jaune. Cette avancée permit de nouvelles applications majeures telles qu'éclairage, écrans de téléviseurs et d’ordinateurs. Le 7 octobre 2014, Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les LED bleues.
L'intérêt des lampes à LED en termes de consommation électrique, de durée de vie et de sécurité électrique s'est rapidement confirmé pour l’automobile (dans l'habitacle et pour les phares et clignotants où les LED se montrent parfois plus performantes que les sources xénon ou halogène), l'éclairage urbain, l'éclairage d'infrastructures, les usages dans la marine et l’aéronautique. Cet intérêt a au début des années 2000 dopé le marché, qui a dépassé en 2010 le seuil des de dollars américains (USD), soutenu par une croissance annuelle globale de 13,6 % de 2001 à 2012, et devrait atteindre 14,8 milliards USD avant la fin 2015. Dans ce marché la part de l’éclairage augmente régulièrement de 2008 à 2014 et devrait se stabiliser en 2018, alors que la part du rétro-éclairage devrait décroître dès 2014 en raison d'évolutions techniques.
La part destinée à l'automobile semble dans les années 2010-2015 stable (environ 10% du marché global et pourrait le rester jusqu'à 2020. Les LED ont d'abord équipé des véhicules de luxe (Audi, Mercedes) puis de moyenne gamme (Seat Léon, Volkswagen Polo en 2014).
En 2016, les principaux fabricants, leaders sur ce marché sont Nichia et Toyoda Gosei au Japon (notamment pour les LED GaN de « forte » puissance (plus de ), Philips Lumileds Lighting Company et OSRAM Opto Semiconductors GmbH en Europe, Cree et General Electric aux États-Unis. Samsung Electronics et produisent des LED pour l'automobile.
C’est par recombinaison d’un électron et d’un trou dans un semiconducteur qu'un photon est émis. En effet, la transition d’un électron entre la bande de conduction et la bande de valence peut se faire avec la conservation du vecteur d’onde formula_1. Elle est alors radiative (émissive) c'est-à-dire accompagnée de l’émission d’un photon. Dans une transition émissive, l’énergie du photon créé est donnée par la différence des niveaux d’énergie avant (E) et après (E) la transition :
Une diode électroluminescente est une jonction P-N qui doit être polarisée en sens direct lorsqu’on veut émettre de la lumière. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice de la LED est la zone P car c’est la plus radiative.
La longueur d’onde du rayonnement émis dépend de la largeur de la « bande interdite » et donc du matériau utilisé. Toutes les valeurs du spectre lumineux peuvent être atteintes avec les matériaux actuels. L’infrarouge est obtenu grâce à l’arséniure de gallium (GaAs) dopé au silicium (Si) ou au zinc (Zn). Les fabricants proposent de nombreux types de diodes aux spécificités différentes. Les diodes à l’arséniure de gallium sont les plus économiques et les plus utilisées. Les diodes à l’arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) offrent une plus grande puissance de sortie mais nécessitent une tension directe plus élevée et ont une longueur d’onde plus courte (, ce qui correspond au maximum de sensibilité des détecteurs au silicium) ; elles présentent une bonne linéarité jusqu’à . Enfin, les diodes à double hétérojonction (DH) AlGaAs offrent les avantages des deux techniques précédentes (faible tension directe) en ayant des temps de commutation très courts (durée nécessaire pour qu’un courant croisse de 10 % à 90 % de sa valeur finale ou pour décroître de 90 % à 10 %), permettant des débits de données très élevés dans les transmissions de données numériques par fibres optiques. Les temps de commutation dépendent de la capacité de la jonction dans la diode.
L'efficacité lumineuse varie selon le type de diodes, de 20 à , et atteignant en laboratoire les . Une grande disparité de performances existe selon la couleur (température de couleur pour le blanc), la puissance ou encore la marque.
Les bleues n’excèdent pas alors que les vertes ont une efficacité lumineuse atteignant . D'importants efforts de R .
La limite théorique d’une source qui transformerait intégralement toute l’énergie électrique en lumière visible est de , mais il faudrait qu’elle possède un spectre monochromatique de longueur d’onde .L'efficacité lumineuse théorique d’une LED blanche est de l’ordre de . Ce chiffre est inférieur à du fait que le maximum de sensibilité de l’œil se situe vers .
L'efficacité lumineuse des LED blanches de dernière génération est supérieure à celle des lampes à incandescence mais aussi à celui des lampes fluocompactes ou encore de certains modèles de lampes à décharge. Le spectre de la lumière émise est presque intégralement contenu dans le domaine du visible (les longueurs d’onde sont comprises entre et ). Contrairement aux lampes à incandescence et aux lampes à décharge, les diodes électroluminescentes n’émettent quasiment pas d’infrarouge, sauf celles fabriquées spécifiquement dans ce but.
L'efficacité lumineuse dépend de la conception de la LED. Pour sortir du dispositif (semi-conducteur puis enveloppe externe en époxy), les photons doivent traverser (sans être absorbés) le semi-conducteur, de la jonction jusqu’à la surface, puis traverser la surface du semi-conducteur sans subir de réflexion et, notamment, ne pas subir la réflexion totale interne qui représente la grosse majorité des cas. Une fois arrivé dans l’enveloppe externe en résine époxy (quelquefois teintée pour des raisons pratiques et non pour des raisons optiques), la lumière traverse les interfaces vers l’air à incidence proche de la normale ainsi que le permet la forme de dôme avec un diamètre bien plus grand que la puce (3 à au lieu de ). Dans les diodes électroluminescentes de dernière génération, notamment pour l’éclairage, ce dôme plastique fait l’objet d’une attention particulière car les puces sont plutôt millimétriques dans ce cas et le diagramme d’émission doit être de bonne qualité. À l’inverse, pour des gadgets, on trouve des LED quasiment sans dômes.
Aux fortes intensités, l'efficacité lumineuse des LED chute. Il a été suspecté en 2007-2008, mieux compris en 2010-2011 puis confirmé début 2013 que cette diminution est attribuable à un « effet Auger » qui dissipe une partie de l'énergie sous forme de chaleur. Des projets de recherche visent à limiter ou contrôler cet effet.
Il reste à faire, car le développement massif de l'éclairage par LED pourrait augmenter les tensions existant sur le marché de certaines ressources non renouvelables (terres rares ou métaux précieux) mais avec d'autre part un fort potentiel d'économie d'énergie (si ces lampes ou l'éclairage qu'elles permettent ne sont pas respectivement gaspillées et gaspilleur).
Des préoccupations sérieuses existent concernant les impacts sanitaires de lampes qui seraient mal utilisées, et surtout concernant leurs effets sur la pollution lumineuse. 
Par exemple, selon une étude publiée en 2014 dans la revue Ecological Applications, alors que l’éclairage nocturne municipal et industriel a déjà changé la répartition des différentes espèces d'invertébrés autour des sources lumineuses et semble contribuer à la régression ou la disparition de nombreuses espèces de papillons, l'éclairage public tend à utiliser à grande échelle les diodes électroluminescentes (LED) ; la question de l’impact des spectres lumineux des lampes prend donc de l’importance. Ces spectres lumineux ont récemment beaucoup changé, et ils changeront encore avec le développement des LED. Or, il apparaît que le spectre lumineux émis par les LED mises sur le marché dans les années 2000-2014 attire les papillons de nuit et certains autres insectes plus que la lumière jaune des ampoules à vapeur de sodium, en raison d’une sensibilité élevée de ces invertébrés nocturnes aux parts vert-bleue et UV du spectre. Des pièges lumineux à insectes volants équipés de LED capturent 48 % plus d'insectes que les mêmes pièges utilisant des lampes à vapeur de sodium, avec un effet également lié à la température de l’air (les invertébrés sont des animaux à sang froid, naturellement plus actif quand la température s’élève). Lors de cette étude plus de ont été capturés et identifiés : les espèces les plus fréquemment piégées étaient des papillons et des mouches.
Ces lampes sont froides et ne brûleront pas les insectes comme pouvaient le faire des lampes halogènes, mais le caractère très attractif des LED pour de nombreux invertébrés peut leur être fatal ; leur vol est perturbé et dans la zone d'attraction ils sont mis en situation de « piège écologique », car largement surexposés à des prédateurs de type araignées et chauve-souris, avec de possibles effets écologiques plus globaux si ces lampes étaient utilisées à grande échelle (perturbation des réseaux trophiques et possible renforcement des infestations de certaines cultures ou sylvicultures par des « ravageurs phytosanitaires » attirés par ces lampes, tels que le Bombyx disparate qui est source de dégâts importants depuis qu’il a été introduit aux États-Unis et qui se montre très attiré par la lumière (les auteurs pointent un risque spécifique près des ports où un éclairage LED pourrait directement attirer des ravageurs ou des espèces exotiques envahissantes accidentellement apportées par des bateaux). Ces espèces anormalement favorisées pouvant à leur tour mettre en péril des espèces natives rares ou menacées.
L’étude de 2014 n’a trouvé aucune preuve démontrant que manipuler la température de la couleur de ces LED diminuaient leur impact ; cependant les auteurs estiment qu'utiliser des filtres ou une combinaison de LED rouges, vertes, et bleues pourraient peut-être diminuer cette fatale attraction, mais alors avec des coûts en termes de consommation électrique et d’énergie ou de terres rares. Les auteurs concluent qu’il existe un besoin urgent de recherche collaborative entre écologues et ingénieurs de la lumière pour minimiser les conséquences potentiellement négatives des développements futurs de la technologie LED. Ces effets négatifs pourraient être plus ou moins atténués, en amont par des processus d'écoconception facilitant le recyclage des LED usagées et en aval par le ré-usage de LED présente dans des objets devenus désuets ou en fin de vie, de même que par le développement de systèmes intelligents d'asservissement de l'éclairage aux besoins réels (lampes équipées de filtres limitant les émissions dans le bleu-vert et le proche-UV, mieux bafflées c'est-à-dire produisant moins de halo et moins éblouissantes, ne s'allumant qu'à l'intensité nécessaire et uniquement quand on en a besoin, via un processus d"'éclairage intelligent" incluant la détection de présence et de luminosité ambiante, si possible intégré dans un smartgrid ou un système écodomotique plus global. En 2014, 4 villes dont Bordeaux, Riga en Lettonie, Piaseczno en Pologne et Aveiro au Portugal testent ce type de solution dans le cadre du programme européen « LITES » (à l'installation ces systèmes sont 60 % plus cher, mais ce surcoût doit être rapidement récupéré par les économies d'électricité et l'amélioration de la qualité de l'environnement nocturne.
Ce composant peut être encapsulé dans divers boitiers destinés à canaliser le flux de lumière émis de façon précise : cylindrique à bout arrondi en 3, 5, 8 et de diamètre, cylindrique à bout plat, ou de forme plate (LED SMD), rectangulaire, sur support coudé, en technologie traversante ou à monter en surface (CMS).
Les LED de puissance ont des formes plus homogènes : la luxeon ci-contre est assez représentative. Ces types de LED sont également disponibles en version ""multicœur", "multipuces" ou "multichips"" en anglais, dont la partie émissive est composée de plusieurs puces semi-conductrices.
L'enveloppe transparente, ou "capot", est généralement en résine époxy, parfois colorée ou recouverte de colorant.
L’intensité lumineuse générale des diodes électroluminescentes est assez faible, mais suffisante pour la signalisation sur tableau, ou bien les feux de circulation (feux tricolores, passages piétons). Les bleues sont également suffisamment puissantes pour signaliser les bords de route, la nuit, aux abords des villes. Le bâtiment du NASDAQ, à New York possède une façade lumineuse animée entièrement réalisée en LED (quelques millions).
Les LED de puissance sont aussi utilisées dans la signalisation maritime comme sur les bouées permanentes. Deux de ces diodes sont situées l’une par dessus l’autre et suffisent à un éclairement important et visible par les bateaux de nuit.
Des LED de fortes puissances ont vu le jour au début des années 2000. Dans la première décennie du , des rendements lumineux d'environ . Par comparaison, les ampoules à filament de tungstène de atteignent un rendement lumineux d'environ .
Les LED sont aujourd'hui (2014) suffisamment puissantes pour servir d'éclairage dans le secteur de l'automobile. Employées d'abord pour les feux de stop, clignotants ou de recul, celles-ci remplaceront probablement, à terme, toutes les ampoules classiques.
La couleur d’une diode électroluminescente peut être générée de différentes manières:
Voici quelques colorations en fonction du semi-conducteur utilisé :
Pour le blanc, on ne parle pas de longueur d’onde mais de température de couleur proximale. Celle des diodes électroluminescentes est assez variable en fonction du modèle.
Les diodes électroluminescentes sont polarisées : on raccordera le pôle « - » à la cathode « - » et donc le pôle « + » à l'anode « + ». Les diodes ont généralement trois détrompeurs : la cathode est plus courte, l'électrode à l'intérieur du dôme est plus grosse et le bord extérieur du dôme est plat. Inversement, l'anode est plus longue, l'électrode à l'intérieur du dôme est plus petite et le bord extérieur du dôme est arrondi (dessins en haut de page).
Il est indispensable de ne pas dépasser l’intensité admissible (typiquement : 10 à pour une LED de faible puissance et de l'ordre de 350 à pour une LED de forte puissance) et donc d’intercaler une résistance en série ou d'utiliser une limitation en courant. Utiliser les données du fabricant pour calculer la résistance en fonction de cette intensité désirée I, de la tension d’alimentation, de la tension directe de la LED et du nombre n de LED en série (loi d'Ohm : R = (V - n × V) / I). Une méthode peu dispendieuse en énergie consiste à utiliser un circuit de régulation de courant basé sur des principes analogues à ceux mis en œuvre dans les alimentation électriques à découpage. Pour les applications d’éclairage, on pourra regrouper plusieurs diodes dans un schéma série-parallèle : il faudra dans ce cas tenir compte de la chute de tension provoquée par les diodes en série pour calculer la résistance en série : plus il y aura de diodes en série, plus forte sera la chute de tension ; ce qui permettra de diminuer la résistance en série et donc d’augmenter le rendement du dispositif. Le courant maximal admissible sera, quant à lui, multiplié par le nombre de groupes de diodes en parallèle.
Il est également primordial d'apporter un soin particulier à l'alimentation électrique des LED pour conserver leurs caractéristiques colorimétriques (température de couleur proximale, IRC…) .
Il existe plusieurs manières de classer les diodes semi-électroluminescentes :
La première est un classement par puissance :
Une autre manière de les classer est de considérer la répartition de l'énergie dans la gamme de longueur d'onde couvrant le visible (longueurs d'ondes de l'ordre de 380 à ) ou l'invisible (principalement l'infrarouge). La raison de la distinction réside dans le fait que certaines diodes peuvent servir à éclairer, ce qui est l’une des applications phares du futur (proche) :
D'autres classements sont possibles, par exemple selon le caractère monopuce ou multipuce, la durée de vie, la consommation d'énergie ou encore la robustesse en cas de sollicitations sous contraintes (comme pour certains matériels industriels, militaires, spatiaux…)
L’amélioration du rendement des LED permet de les employer en remplacement de lampes à incandescence ou fluorescence, à condition de les monter en nombre suffisant :
En 2006, le groupe américain Graffiti Research Lab a lancé un mouvement nommé "Led throwies" (lancer de LED) qui consiste à égayer les lieux publics en ajoutant de la couleur sur des surfaces magnétiques. Pour ceci, on combine une LED, une pile au lithium et un aimant, et on lance l’ensemble sur une surface magnétique.
En 2007, Audi et Lexus bénéficient de dérogations de la Commission européenne pour commercialiser des modèles munis de feux avant à base de LED. En 2009, la Ferrari 458 Italia innove elle aussi avec des phares à LED.
Plusieurs villes remplacent leur éclairage public par des LED dans le but de diminuer leur facture d’électricité et la pollution lumineuse du ciel (éclairage dirigé vers le bas). Le recours aux LED est aussi courant dans les feux tricolores. L’exemple de Grenoble est le plus souvent cité : la ville a réalisé son retour sur investissement en trois ans seulement. En effet, les LED permettent des économies d’énergie, mais ce sont surtout les coûts de maintenance qui baissent, du fait de leur robustesse.
En 2010, La RATP expérimente l'éclairage des espaces du métro parisien, notamment à la station Censier-Daubenton première station de métro entièrement éclairée par cette technologie. En 2012 estimant le produit mature la RATP (réseau de transport en commun de Paris) décide de modifier la totalité de son éclairage vers la technologie LED. C'est plus de qui seront modifiés, faisant ainsi du métro parisien le premier réseau de transport en commun d'envergure à adopter le « tout LED ».
Les LED sont utilisées pour réaliser des écrans vidéo de très grande taille (plateaux TV salon dans des grands halls, stade…).
Le rétroéclairage de l’écran par des diodes électroluminescentes permet de fabriquer des écrans plus fins, plus lumineux, ayant une étendue colorimétrique plus importante et plus économes que son prédécesseur ACL à rétroéclairage par tube fluorescent (technologie CCFL). À noter que les constructeurs restent assez flous sur le fait que les LED dégagent plus de chaleur.