Technologie LED - LED Know-how

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Technologie LED
Une diode électroluminescente (LED), de l’anglais light-emitting diode, diode émettrice
de lumière, est un composant semi-conducteur photoémissif dont les caractéristiques
électriques correspondent à celles d’une diode. Si un courant électrique traverse la
diode dans le sens du passage, elle émet de la lumière, du rayonnement infrarouge et
même ultraviolet à une longueur d’onde dépendant du matériau semi-conducteur et du
dopage.
Le cristal semi-conducteur de nombreuses diodes luminescentes est soudé dans un
support métallique au fond d’une cavité conique. Les faces intérieures de la cavité
réfléchissent la lumière sortant des côtés du cristal. La soudure constitue un des deux
raccords électriques du cristal. En même temps, elle absorbe la chaleur évacuée du fait
que le cristal semi-conducteur ne transforme en lumière qu’une partie de la puissance
électrique. Le support avec le réflecteur est, sur les diodes luminescentes à fil, un fil à
section rectangulaire servant de raccord électrique. Contrairement à la pratique
courante avec les composants électroniques, le fil de raccordement n’est pas en cuivre
étamé mais en acier étamé. La conductivité thermique de l’acier est relativement faible,
ce qui fait que le cristal n’est pas détruit par un échauffement excessif lorsque le
composant est soudé sur une platine de circuits imprimés.
La
face supérieure du cristal n’est reliée au second fil de raccordement en acier que par un mince
fil de bonding afin que le raccordement ne couvre qu’une très faible partie de la surface
d’émission de lumière.
La cathode (-) est marquée par un chanfrein à la coupe du socle du boîtier. Sur les
diodes luminescente neuves, le raccord de cathode est en outre plus court (aide
mémoire: cathode = court = chanfrein). Sur la plupart des diodes luminescentes, le
réflecteur est la cathode, si bien que l’on peut se souvenir que le sens technique du
courant est «indiqué» par la flèche que l’anode (+) constitue par sa forme. Dans de
rares cas, la construction est inverse.

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Les diodes luminescentes à haute puissance (H-LED) sont alimentées par des courants
supérieurs à 20 milliampères. L’évacuation de chaleur pose des exigences particulières
qui se traduisent par des formes spéciales de construction. La chaleur peut être
évacuée par les fils d’alimentation, le réflecteur ou des conducteurs thermiques intégrés
au corps de la diode.
Une autre possibilité consiste à souder la puce de diode sur la platine par bondage
direct (COB, chip on board) puis à l’enrober de masse de silicone. Cette construction
est appliquée dans les affichages LED à très nombreuses diodes luminescentes. Ces
sources lumineuses sont appelées dans le commerce spécialisé «COB-LED».
Les diodes luminescentes à plusieurs couleurs se composent de plusieurs diodes (deux
ou trois) dans un boîtier. La plupart du temps, elles ont une anode et une cathode
communes ainsi qu’un raccord pour chaque couleur. En exécution à deux raccords,
deux puces sont montées en antiparallèle. Suivant la polarité, l’une ou l’autre des
diodes s’allume. Par variation du rapport d’impulsions d’un courant alternatif approprié,
on peut réaliser une variation de couleur pratiquement continue.
Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement d’une diode luminescente correspond à celui d’une diode
semi-conductrice pn; les propriétés fondamentales sont donc les mêmes. Une grande
différence réside dans le matériau semi-conducteur utilisé. Tandis que les diodes non
luminescentes sont fabriquées en silicium, moins souvent en germanium ou en
sélénium, le matériau de base des diodes luminescentes est un semi-conducteur direct,
généralement un alliage de gallium comme semi-conducteur à liaison III-V. Un tel semi-
conducteur à liaison III-V se compose d’une combinaison de matériaux du groupe
chimique principal III (métaux de terre rare et de bore) et V (groupe azote-phosphore)
dont la combinaison présente la conductivité électrique des semi-conducteurs. Les
semi-conducteurs de liaison III-V revêtent donc une grande importance dans les
applications techniques de la technologie des semi-conducteurs. Ces semi-conducteurs
III-V permettent de générer de la lumière à très faible longueur d’onde (dans le domaine
UV) avec des diodes laser ou LED (applications: diode luminescente blanche, BLU-
RAY-Disc, HD-DVD). Inversement, le matériau convient également à la fabrication de
cellules solaires à très haut rendement (plus de 40%).
Si une tension est appliquée à une diode semi-conductrice dans le sens du passage,
les électrons passent du côté dopé n, à la jonction p-n. Après le passage vers le côté
dopé p, l’électron passa à la plage de valence plus avantageuse du point de vue
énergétique. Cette transition est appelée recombinaison car on peut l’interpréter comme
la rencontre d’un électron dans la plage conductrice avec un électron de défaut (trou).
L’énergie libérée lors de la recombinaison peut être fournie dans un semi-conducteur
direct sous forme de lumière (photon).
Couleurs et technologie
Un choix judicieux des matériaux semi-conducteurs et du dopage permet de faire varier
les propriétés de la lumière produite. Il est surtout possible d’influencer la plage
spectrale et l’efficacité:

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• Arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) – rouge (665 nm) et infrarouge jusqu’à
1000 nm de longueur d’onde
• Phosphure d’arséniure de gallium (GaAsP) et phosphure d’aluminium-indium-
gallium (AlInGaP) – rouge, orange et jaune
• Phosphure de gallium (GaP) – vert
• Carbure de silicium (SiC) – première LED bleue commerciale; faible efficacité
• Séléniure de zinc (ZnSe) – émetteur bleu qui n’a cependant jamais atteint la
maturité commerciale
• Nitrure d’indium-gallium (InGaN)/nitrure de gallium (GaN) – ultraviolet, violet,
bleu et vert
• Les LED blanches sont généralement des LED bleues avec une couche de
luminescence placée en avant servant de convertisseur de longueur d’onde (voir
le chapitre sur les LED blanches)
Divers procédés d’épitaxie sont employés dans la fabrication des semi-conducteurs
LED.
La couleur de diodes luminescentes dépend dans une large mesure de la largeur de
bande du matériau semi-conducteur utilisé. La couleur correspond directement à une
longueur d’onde donnée λ soit à l’inverse de la fréquence du rayonnement
électromagnétique émis.
Caractéristique spectrale
Contrairement aux lampes à incandescence, les diodes luminescentes ne sont pas des
radiateurs de chaleur. Elles émettent de la lumière dans une plage spectrale limitée, la
lumière est pratiquement monochromatique. C’est pourquoi elles sont particulièrement
efficaces dans la signalisation en comparaison d’autres sources lumineuses avec
lesquelles des filtres absorbent la plus grande partie du spectre afin d’obtenir une
caractéristique monochromatique. Pour les diodes luminescentes destinées à
l’éclairage général, des diodes bleues sont généralement combinées à des substances
fluorescentes. Outre le large spectre de la matière luminescente, elles possèdent une
part de bleu à bande plus étroite (voir également le chapitre sur les sources lumineuses
LED).
Il n’a longtemps pas été possible de fabriquer des diodes luminescentes pour toutes les
couleurs du spectre visible. Il n’était pas non plus possible d’utiliser des diodes vertes
dans la signalisation routière étant donné que la technologie ne permettait pas le bleu-
vert exigé. Le développement de premières diodes luminescentes bleu-vert est dû aux
travaux d’Isamu Akasaki en 1989, sur base du nitrure de gallium. La production en
masse de diodes luminescentes bleu-vert, puis de diodes bleues a commencé en 1993.
Caractéristiques électriques
Les diodes luminescentes ont une courbe caractéristique courant-tension croissante de
manière exponentielle et dépendante entre autres choses de la température. Le flux
lumineux est pratiquement proportionnel au courant de service. La tension directe
(tension aux bornes de la diode à par exemple 1/20 du courant maximum) intervient en
service à courant constant, dépend de la température et il y a des écarts entre les

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exemplaires – elle baisse à mesure que la température augmente comme c’est le cas
de toutes les diodes à semi-conducteur. L’alimentation par une source à courant
constant (généralement réalisée de manière approchée par une résistance en série) est
donc importante pour une intensité lumineuse définie. L’alimentation directe depuis une
source de tension est très risquée étant donné que le point de travail ne peur être réglé
avec une précision suffisante par la tension pour le courant voulu par suite des
tolérances de fabrication et de la dépendance de la température. Certains luminaires à
batterie alimentent les diodes directement sur des sources primaires – on compte ici sur
une résistance interne suffisamment élevée des batteries jointes en acceptant des
tolérances de fabrication (voir également le chapitre exploitation, raccordement et
élimination).
Au cours de l’évolution, le rendement lumineux a été augmenté par optimisation des
matériaux semi-conducteurs et de la géométrie du cristal. A partir des années 1990,
cela a permis d’alimenter des LED par un courant très faible (low-current LED) tout en
obtenant une clarté suffisante. La consommation maximale admissible des LED va de 2
mA (par exemple avec les LED montées en surface CMS ou low-current LED
miniaturisées) en passant par 20 mA (LED standard) et jusqu’à 18 A (état de juin 2008)
pour les LED à haute puissance. La tension de passage U
f
(anglais forward voltage)
dépend du matériau semi-conducteur qui détermine à son tour la couleur de lumière.
Voici des points de référence pour la chute de tension:
• LED infrarouge: typ. 1,3 V (1,2 - 1,8)
• Rouge: 1,6 - 2,2 V
• Jaune, vert: 1,9 - 2.5 V
• Bleu, UV, blanc: typ. 3.4 V (3 - 4 V).
La tension de blocage maximale admissible n’est généralement que de 5 volts.
Propriétés optiques
Les diodes luminescentes sont généralement encapsulées dans des polymères. Pour
les LED à forte intensité lumineuse, on emploie également des boîtiers en verre ou en
métal. Les boîtiers métalliques, la plupart du temps en aluminium, servent à évacuer la
chaleur. Le corps en matière synthétique est souvent formé comme lentille et posé au-
dessus du cristal. Il réduit l’angle limite de la réflexion totale et concentre le
rayonnement sur un angle spatial plus petit et déterminable. Etant donné que le verre a
en général un indice de réfraction plus élevé que la matière plastique et la résine
synthétique, l’utilisation de lentilles en verre permet de concentrer encore davantage le
rayonnement de la LED. Le verre non traité antireflets a cependant des pertes par
réflexion plus élevées d’environ 10% également du fait qu’il ne touche pas directement
le cristal.
Un paramètre important d’une LED est l’angle d’ouverture
.
Etant donné que l’angle d’ouverture est limité, une LED ne rayonne, contrairement à
une lampe à incandescence, que sur une surface partielle (par rapport à la surface

Technologie LED
d’une sphère autour de la source de rayonnement placée au centre). Pour des
éclairages à
360° à diodes luminescentes, il faut plusieurs diodes. Afin de déterminer le
nombre de diodes nécessaires, on peut avoir recours à l’équation suivante dérivée de la
calotte de sphère.
désigne l’angle d’ouverture de la LED
Exemple: afin de réaliser une
(paramètres: angle d’ouverture 55°, consommation 3,15 W et 160 lm = 50 lm/W (lumen
par watt), il faut 18 diodes luminescentes (une LED à angle d’ouverture de 55° couvre à
peu près un dix-
huitième d’une s
(par exemple sur une sphère en grillage), on obtient ainsi un corps lumineux de 2880
lm, avec une consommation de 54 W. Ce flux lumineux est comparable à celui d’une
lampe à incandescence de 300 W
Vieillissement
On entend par durée de vie (dégradation de lumière) d’une LED le temps après lequel
le rendement lumineux est tombé à 70% de la valeur initiale (valeur L70B50); quelques
sources Internet parlent également de la fin de vie à 50% de la clarté
Les diodes luminescentes faiblissent peu à peu mais ne tombent généralement pas
brusquement en panne. Le vieillissement est pratiquement linéaire. La durée de vie
dépend du matériau semi-
conducteur utilisé, des conditions d’utilisation (chaleur,
courant) et des changements individuellement tolérables de température de couleur des
substances fluorescentes (les LED blanches ont une tendance bleutée). Les
températures élevées (dues généralement à des courants élevés) abrègent
considérablement la duré
e de vie des LED. La durée de vie indiquée va de quelques
heures pour les LED 5 W plus anciennes à plus de 100'000 heures (11,4 ans) pour les
LED utilisées sous des courants faibles. Les LED actuelles de haute puissance sont
généralement exploitées, pour o
de travail pour lesquels leur durée de vie est de 15'000 à 30'000 heures. De bons
fabricants de luminaires LED atteignent cependant des valeurs nettement meilleures
grâce à une conception optimale de leurs
heures de service exempt d’entretien. Ceci est obtenu par une sélection coûteuse de
tous les composants (aussi bien des LED que des composants du circuit d’attaque).
Les sources lumineuses LED en forme de lampe à i
commerce sont données pour plus de 25'000 heures jusqu’à 45'000 heures. Des
charges thermiques trop élevées dues à la forme de conception font que cette durée de
vie n’est atteinte qu’avec de fortes réductions de clarté. De
développés de manière conséquente comme luminaires LED offrent des alternatives.
Le vieillissement des LED est surtout provoqué par l’agrandissement des défauts dans
le cristal, dû à des influences thermiques. Ces zones ne participent plus à la production
de lumière. Il y a des transitions sans rayonnement. Dans le cas des LED GaN dans
d’une sphère autour de la source de rayonnement placée au centre). Pour des
360° à diodes luminescentes, il faut plusieurs diodes. Afin de déterminer le
nombre de diodes nécessaires, on peut avoir recours à l’équation suivante dérivée de la
désigne l’angle d’ouverture de la LED
.
Exemple: afin de réaliser une
lampe forte à 360° au moyen de diodes luminescentes
(paramètres: angle d’ouverture 55°, consommation 3,15 W et 160 lm = 50 lm/W (lumen
par watt), il faut 18 diodes luminescentes (une LED à angle d’ouverture de 55° couvre à
huitième d’une s
phère). Pour une disposition correspondante des LED
(par exemple sur une sphère en grillage), on obtient ainsi un corps lumineux de 2880
lm, avec une consommation de 54 W. Ce flux lumineux est comparable à celui d’une
lampe à incandescence de 300 W
.
On entend par durée de vie (dégradation de lumière) d’une LED le temps après lequel
le rendement lumineux est tombé à 70% de la valeur initiale (valeur L70B50); quelques
sources Internet parlent également de la fin de vie à 50% de la clarté
Les diodes luminescentes faiblissent peu à peu mais ne tombent généralement pas
brusquement en panne. Le vieillissement est pratiquement linéaire. La durée de vie
conducteur utilisé, des conditions d’utilisation (chaleur,
courant) et des changements individuellement tolérables de température de couleur des
substances fluorescentes (les LED blanches ont une tendance bleutée). Les
températures élevées (dues généralement à des courants élevés) abrègent
e de vie des LED. La durée de vie indiquée va de quelques
heures pour les LED 5 W plus anciennes à plus de 100'000 heures (11,4 ans) pour les
LED utilisées sous des courants faibles. Les LED actuelles de haute puissance sont
généralement exploitées, pour o
btenir un rendement lumineux maximum, à des points
de travail pour lesquels leur durée de vie est de 15'000 à 30'000 heures. De bons
fabricants de luminaires LED atteignent cependant des valeurs nettement meilleures
grâce à une conception optimale de leurs
systèmes et garantissent jusqu’à 100'000
heures de service exempt d’entretien. Ceci est obtenu par une sélection coûteuse de
tous les composants (aussi bien des LED que des composants du circuit d’attaque).
Les sources lumineuses LED en forme de lampe à i
ncandescence disponibles dans le
commerce sont données pour plus de 25'000 heures jusqu’à 45'000 heures. Des
charges thermiques trop élevées dues à la forme de conception font que cette durée de
vie n’est atteinte qu’avec de fortes réductions de clarté. De
s systèmes complets
développés de manière conséquente comme luminaires LED offrent des alternatives.
Le vieillissement des LED est surtout provoqué par l’agrandissement des défauts dans
le cristal, dû à des influences thermiques. Ces zones ne participent plus à la production
de lumière. Il y a des transitions sans rayonnement. Dans le cas des LED GaN dans
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d’une sphère autour de la source de rayonnement placée au centre). Pour des
360° à diodes luminescentes, il faut plusieurs diodes. Afin de déterminer le
nombre de diodes nécessaires, on peut avoir recours à l’équation suivante dérivée de la
lampe forte à 360° au moyen de diodes luminescentes
(paramètres: angle d’ouverture 55°, consommation 3,15 W et 160 lm = 50 lm/W (lumen
par watt), il faut 18 diodes luminescentes (une LED à angle d’ouverture de 55° couvre à
phère). Pour une disposition correspondante des LED
(par exemple sur une sphère en grillage), on obtient ainsi un corps lumineux de 2880
lm, avec une consommation de 54 W. Ce flux lumineux est comparable à celui d’une
On entend par durée de vie (dégradation de lumière) d’une LED le temps après lequel
le rendement lumineux est tombé à 70% de la valeur initiale (valeur L70B50); quelques
sources Internet parlent également de la fin de vie à 50% de la clarté
initiale.
Les diodes luminescentes faiblissent peu à peu mais ne tombent généralement pas
brusquement en panne. Le vieillissement est pratiquement linéaire. La durée de vie
conducteur utilisé, des conditions d’utilisation (chaleur,
courant) et des changements individuellement tolérables de température de couleur des
substances fluorescentes (les LED blanches ont une tendance bleutée). Les
températures élevées (dues généralement à des courants élevés) abrègent
e de vie des LED. La durée de vie indiquée va de quelques
heures pour les LED 5 W plus anciennes à plus de 100'000 heures (11,4 ans) pour les
LED utilisées sous des courants faibles. Les LED actuelles de haute puissance sont
btenir un rendement lumineux maximum, à des points
de travail pour lesquels leur durée de vie est de 15'000 à 30'000 heures. De bons
fabricants de luminaires LED atteignent cependant des valeurs nettement meilleures
systèmes et garantissent jusqu’à 100'000
heures de service exempt d’entretien. Ceci est obtenu par une sélection coûteuse de
tous les composants (aussi bien des LED que des composants du circuit d’attaque).
ncandescence disponibles dans le
commerce sont données pour plus de 25'000 heures jusqu’à 45'000 heures. Des
charges thermiques trop élevées dues à la forme de conception font que cette durée de
s systèmes complets
développés de manière conséquente comme luminaires LED offrent des alternatives.
Le vieillissement des LED est surtout provoqué par l’agrandissement des défauts dans
le cristal, dû à des influences thermiques. Ces zones ne participent plus à la production
de lumière. Il y a des transitions sans rayonnement. Dans le cas des LED GaN dans
la