LED

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.
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 .
Type N
Jonction P-N
+ + + +
-
Type P
-
- -
Porteur de charge mobile
Electron
Trou
-
+ + + +
-
+ + + +
Si Dopé
(au phosphore)
E
-
- -
- - -
Charges statiques
- Atome accepteur ionisé
+ Atome donneur ionisé
Si dopé
(au bore)
Le silicium, le germanium et l'arséniure de gallium sont les trois semiconducteurs les plus utilisés.
Si la recombinaison d'un e- et d'un t+ n'est pas radiative →pas d'émission de photon .
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.
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.
Dopage N Azote (N) Phosphore (P) Arsenic (As) Antimoine (Sb) 5 e-à la périphérie1 e- libre
Dopage P Aluminium (Al) Gallium (Ga) Indium (In) 3 e- à la périphérie  1 trou+ libre.
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.
Région active
(+)
P
N
(-)
Région morte
C.2) Avantages:
Basse température de fonctionnement
Stabilité mécanique (insensible aux vibrations)
Faible encombrement
Compatibilité TTL
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"
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.
Il est ainsi possible d'envisager le remplacement des technologies d'éclairage
actuelles par des technologies semi-conducteurs à base de LED blanche.
5 à 20
Tube
fluorescent
70
5 à 20
Non directif
Non directif
Angle 15 à 120 °
100 à 500
0s
0s
Mauvais
Insensible
0,0005
1.000 à 10.000
0,5 à 2 s
1 à 2 mn
Très mauvais
Mauvais
0,002
15 à 100.000
0s
0s
Insensible
Insensible
0,2
Ampoule à filament
Eclairage en lumen/W
Type d'éclairage (sans
réflecteur)
Durée de vie en heure
Temps d'allumage
Eclairage maxi au bout de
Allumages répétés
Allumage à basse température
Coût moyen $ / Lumen
LED
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
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)
0.35
tr 
fc
C.4.4.) INTENSITE ENERGETIQUE
Donnée en W/sr pour un courant IF donné
C 4.5) ANGLE D’EMISSION
Angle total pour lequel la variation de puissance est divisée par 2.
C.4.6) DIAGRAMME DE RAYONNEMENT:
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
1240
λ(nm) 
VF
C.5) Commande d’une LED
C.5.1) En continu
IF
VF
R
IF
droite charge
pour une resistance
à+/- x%
VFmin typique
VFmax typique
E
zone de fonctionnement
IF ≤ IF max
VF
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
IFRM
Tp
t
T
Le rapport cyclique delta

Tp
T
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.
C o m m a n d e e n t e n s io n ( in s t a b le )
T j > ( T j) 0
(T j)0
T j < ( T j0 )
IF
P1
(IF )0
P0
Ve
VF
C o m m a n d e e n c o u r a n t ( s t a b le )
T j > ( T j) 0
( T j) 0
T j < ( T j0 )
I
VF
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 ?
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