Diodes électroluminescentes Diodes électroluminescentes
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Diodes électroluminescentes (LED ou DEL) • Principe de fonctionnement • Taux d’injection des porteurs minoritaires • Spectre d’émission • Rendement • Temps de réponse • Structure d’une DEL • Brillance d’une DEL 1 Diodes électroluminescentes (LED ou DEL) • Principe de fonctionnement • Taux d’injection des porteurs minoritaires • Spectre d’émission • Rendement • Temps de réponse • Structure d’une DEL • Brillance d’une DEL 2 1 Principe de fonctionnement Al SiO2 p n Substrat Principe de fonctionnement 3 Principe de fonctionnement Ln EC hν EFn hν hν eV EFp p n EV Lp W Principe de fonctionnement 4 2 Diodes électroluminescentes (LED ou DEL) • Principe de fonctionnement • Taux d’injection des porteurs minoritaires • Spectre d’émission • Rendement • Temps de réponse • Structure d’une DEL • Brillance d’une DEL 5 Taux d’injection des porteurs minoritaires hν hν hν Taux d’injection des électrons dans la région p γn = Taux d’injection des trous dans la région n γp = dn ≫ Lp dp ≫ Ln ( ) 2 i ( ( ) jn xp J jp ( xn ) J ) in xp = en Dn eV kT e −1 NaLn i (x eni2Dp )= p n Principe de fonctionnement NdLp (e eV kT ) −1 6 3 Taux d’injection des porteurs minoritaires j (x ) j (x ) γ = γ = n n p p p J n J µn τp Nd γ n DnLpNd = = γ p DpLnNa µp τn Na Dp,n Lp,n = Dp,n τp,n µp,n = kT q Durée de vie τ inversement proportionnel à la densité de porteurs majoritaires µnNd γn σn ≈ = γp µpNa σp généralement σn ≫ σp ⇒ γ n ≫ γ p Principe de fonctionnement 7 Taux d’injection des porteurs minoritaires Ln BC EFn hν hν hν eV EFp p n BV Surface → Lp W Zone la plus luminescente Principe de fonctionnement 8 4 Diodes électroluminescentes (LED ou DEL) • Principe de fonctionnement • Taux d’injection des porteurs minoritaires • Spectre d’émission • Rendement • Temps de réponse • Structure d’une DEL • Brillance d’une DEL 9 Spectre d’émission Spectre d'émission 10 5 Spectre d’émission Spectre d'émission 11 Diodes électroluminescentes (LED ou DEL) • Principe de fonctionnement • Taux d’injection des porteurs minoritaires • Spectre d’émission • Rendement • Temps de réponse • Structure d’une DEL • Brillance d’une DEL 12 6 Rendement Rendement quantique interne ηi ηi = nb de photons créés nb de porteurs dans la jonction Recombinaison radiative (rr) et non-radiative rnr ηi = ∆n τr ∆n rnr = τnr rr = rr rr + rnr ηi = τnr τr + τnr Pour les semiconducteurs à gap direct ηi~100 %. Rendement 13 Rendement Rendement optique ηo ηo = Réflexion à l’interface air-SC Air θrt Indice n2=1 nb de photons émis nb de photons créés 2 n − 1 3,5 − 1 R = sc ≈ ≈ 0,3 n + 1 3,5 + 1 sc ⇒ T = 1 − R ≈ 0,7 Indice nsc>1 Semi-Conducteur Rendement 2 Loi de Descarte n1 sinθ1=n2 sinθ2 nsc sin θrt = sin ( π 2 ) = 1 ⇒ sin θrt = 1 ⇒ θrt ≈ 16° nsc 14 7 Rendement Rendement optique ηo Rayonnement isotrope au niveau de la jonction θ 2π π 0 0 Ω0 = ∫ dφ∫ sin θdθ = 4π (st) Seul les photons émis dans l’angle solide sous-tendu par l’angle limite θrt sortent de la diode φ 2π θrt 0 0 Ωrt = ∫ dφ ∫ sin θdθ = 2π (1 − cos θrt ) ( ( Ωrt ≈ 2π 1 − 1 − θrt2 2 )) = πθ 2 rt Rendement 15 Rendement Ωrt θrt2 θrt2 ηo = T≈ T≈ 1− R Ω0 4 4 ( ) Simplification R(θ) constant 2 θrt2 nsc − 1 1 − ηo ≈ 4 nsc + 1 Simplification θ petit sin(θ)~θ Loi de Descarte θrt=1/nsc 2 1 nsc − 1 1 ηo ≈ 2 1 − ≈ 4nsc nsc + 1 nsc ( nsc + 1)2 Rendement Dioptre SC-air ηo ~ 1% 16 8 Rendement 2 θrt2 nsc − 1 1 − ηo ≈ 4 nsc + 1 plastique Indice np=1,5 Indice nsc θrt Semi-Conducteur Simplification θ petit sin(θ)~θ Loi de Descarte θrt=np/nsc 2 2 1 np nsc − np ηo ≈ − 1 4 nsc nsc + np Rendement ηo ~ 4% 17 Rendement Rendement quantique externe ηe ηe = nb de photons émis nb de porteurs dans la jonction ηo = nb de photons émis nb de photons créés ηi = nb de photons créés nb de porteurs dans la jonction ηe = ηi ⋅ ηo Rendement 18 9 Rendement Rendement global η η= puissance lumineuse émise puissance électrique absorbé Wop = Nphhν Puissance lumineuse émise Puissance électrique absorbée Wel = I V = Nel e V η= Wop Wél = Nphhν NeleV = ηe E e hν = ηe g eV rsI + Vd DEL η~20% - Lampe à incandescence η~qq % Rendement 19 Rendement Réponse d’une LED ℜ= puissance lumineuse émise densité de courant Puissance lumineuse émise Wop = Nphhν = ηe ℜ = ηe hν 1,24 = ηe λpic (µm) q Rendement J hν q W/A 20 10 Diodes électroluminescentes (LED ou DEL) • Principe de fonctionnement • Taux d’injection des porteurs minoritaires • Spectre d’émission • Rendement • Temps de réponse • Structure d’une DEL • Brillance d’une DEL 21 Temps de réponse Diode électroluminescente polarisé (dp>>Ln) V0 tension continu + V1 tension alternative (ω) Equation de continuité des électrons ∂∆n ( x,t ) ∂ 2∆n ( x,t ) ∆n ( x,t ) = Dn − ∂t ∂x 2 τn Tension de polarisation V0 ∆n ( x,t ) = ∆n0 ( x ) + ∆n1 ( x ) e jωt Tension de modulation V1(t) Temps de réponse 22 11 Temps de réponse ∂∆n ( x,t ) ∂t = Dn ∂ 2 ∆n ( x,t ) ∂x 2 − ∆n ( x,t ) d2 ∆n0 ( x ) τn dx ∆n ( x,t ) = ∆n0 ( x ) + ∆n1 ( x ) e jωt 2 d2 ∆n1 ( x ) dx 2 − − ∆n1 ( x ) *2 n L ( ) ( ( ∆n ( x ) = ∆n ( x ) e ( ) − x − xp L + Be Dn τn 1 + jωτn ( x − xp ) L ) − x − xp Ln − x − xp 1 = 0 avec L*n = dp >> Ln ⇒ B=0 ∆n0 ( x ) = ∆n0 x p e 1 = 0 avec Ln = Dn τn L2n ∆n = Ae Les solutions sont de la forme Condition aux limites ∆n0 ( x ) ) L*n p Temps de réponse 23 Temps de réponse généralement σn ≫ σp ⇒ γ n ≫ γ p ( ) ( ) γ n ≫ γ p ⇒ J = Jn xp + Jp ( xn ) ≈ Jn xp Courant de diffusion d∆n0 d∆n1 J = eDn + eDn e jωt = J0 + J ( ω) e jωt dx xp dx xp Composante alternative du courant J ( ω) = ( ) eDn ∆n1 xp L*n Temps de réponse 24 12 Temps de réponse ∞ ∆n ( x ) xp τn nombre de photons créés ∫ (dp>>Ln) dx Nombre de photons émis sur toute la profondeur de la jonction Rendement quantique externe ηe ∞ ∆n0 ( x ) xp τn N = ηe ∫ ∞ ∆n1 ( x ) xp τn dx + ηe ∫ dx ⋅ e jωt = N0 + N ( ω) e jωt Amplitude de la modulation ( ) ∆n1 x p ∞ −( x − xp ) ∆n1 N ( ω) = ηe ∫ dx = ηe ∫xp e xp τ Temps τn de réponse n ∞ L*n L*n dx = ηe ∆n1 x p 25 τn ( ) Temps de réponse efficacité de la modulation = taux de modulation du rayonnement émis taux de modulation du courant excitateur L*n ηe ∆n1 x p 2 N ( ω) τn L*2n ηe L*n η 1 = = ηe = = e R ( ω) = eDn I ( ω) eDn τn e Ln e 1 + jωτn ∆n1 x p * Ln ( ) ( ) Amplitude de l’efficacité de modulation R= R0 1 + ω2 ωc2 avec R0 = ηe 1 et ωc = τn e Ex: GaAs dopé à Na=1018 cm-3 τn = 1 / Bp0 = 1,4 10-9 sTemps ⇒defréponse c # 100 MHz. 26 13 Diodes électroluminescentes (LED ou DEL) • Principe de fonctionnement • Taux d’injection des porteurs minoritaires • Spectre d’émission • Rendement • Temps de réponse • Structure d’une DEL • Brillance d’une DEL 27 Structure d’une diode Utilisation des LED • Affichage • émission dans le visible • couleur contrôlé • grande surface • rendement quantique externe important • Photocoupleurs • émission compatible avec l’absorption Si • rendement quantique externe important • Télécommunications • émission λ=1,3µm et 1,5µm • faible surface • rendement quantique externe important Structure d'une diode 28 14 Structure d’une diode Al SiO2 p n GaAs0,35P0,75 GaAsxP1-x graduel Substrat Structure d’une diode électroluminescente émettant dans l’orange Structure d'une diode 29 Diodes électroluminescentes (LED ou DEL) • Principe de fonctionnement • Taux d’injection des porteurs minoritaires • Spectre d’émission • Rendement • Temps de réponse • Structure d’une DEL • Brillance d’une DEL 30 15 Brillance de la diode B brillance d’une source = puissance émise par unité de surface et par unité d’angle solide (Wsr-1m-2) Pour une surface émettrice S homogène et isotrope le flux total d’énergie émis est φt=4πSB. DEL surface émettrice plane non isotrope Loi de lambert B = B0 cos θ B0 brillance dans la direction normale Structure d'une diode 31 Brillance de la diode L’encapsulation modifie la distribution spatiale du rayonnement Flux total d ’énergie lumineuse émis φt = S ∫ BdΩ Ω Angle solide Ω sous tendu par l’angle θ. Structure d'une diode Ω = 2π (1 − cos θ ) 32 16 Brillance de la diode Ω = 2π (1 − cos θ ) ⇒ dΩ = 2π sin θdθ φt = S ∫ BdΩ Ω φt = 2πSB B = B0 cos θ π 2 o 0 ∫ sin θ cos θdθ = 2πSBo ∫ sin θd ( sin θ ) 1 0 Flux total d ’énergie lumineuse émis Structure d'une diode φt = πSBo 33 17
