LED colorées : comment obtenir les différentes couleurs ?

Les LED colorées Ils nous accompagnent depuis quelques années. Chaque fois que de nouvelles nuances de LED apparaissent, car cela n'a pas été facile dans tous les cas. Par exemple, par curiosité, sachez que les LED à lumière blanche et les LED à lumière bleue ont été parmi les dernières à arriver sur le marché.

Actuellement, ils sont devenus un type de diode indispensable dans de nombreux domaines. Par conséquent, dans cet article, vous apprendrez tout ce que vous devez savoir Sur ces composants électroniques de base, et pourquoi ils émettent de la lumière, pourquoi ces couleurs, et bien plus encore...

Sources électroluminescentes à semi-conducteurs

Comme vous devez le savoir, les deux sources d'émission lumineuse pouvant provenir de dispositifs semi-conducteurs sont Diodes laser et diodes LED. Alors que les LED sont basées sur l'émission spontanée, les lasers sont basés sur l'émission stimulée. C'est la différence entre les deux.

Les diodes électroluminescentes (Light Emitting Diode) ils sont la source de lumière la plus courante parmi les équipements électroniques. Ils sont utilisés pour indiquer l'heure sur les montres numériques, pour signaler le fonctionnement ou la charge de la batterie, etc. Les applications sont nombreuses et maintenant ils se sont également lancés dans l'éclairage avec les nouvelles ampoules LED pour éclairer tous les types de pièces et même pour les véhicules.

Ces dispositifs à LED appartiennent au groupe des opto-semi-conducteurs, capable de convertir un courant électrique en lumière. Ce dispositif d'éclairage a le grand avantage d'être durable, puisqu'il ne grille pas comme les ampoules, et il est aussi beaucoup plus efficace, donc la consommation est bien inférieure aux ampoules classiques. De plus, leur coût de fabrication est très faible, c'est pourquoi ils sont devenus si populaires.

Comme tout autre dispositif à semi-conducteur, la LED possède les principaux éléments de base, tels que le Zones P avec trous (+) et zones N avec électrons (-), c'est-à-dire les porteurs de charge habituels de tout semi-conducteur. Et cela fait :

• Lorsque le côté P est connecté à une alimentation et le côté N à la terre, la connexion est polarisée en direct, permettant au courant de circuler à travers la diode et émettant une lumière que nous pouvons tous voir.
• Si le côté P est connecté à la masse et le côté N est connecté à l'alimentation, la connexion est dite polarisée en inverse, ce qui empêche la circulation du courant. Vous savez déjà que les diodes empêchent la circulation du courant dans un sens.
• Lorsqu'ils sont polarisés en direct, les porteurs de charge majoritaires et minoritaires côté P et côté N se combinent les uns avec les autres, neutralisant les porteurs de charge dans la couche d'appauvrissement de la jonction PN. Et, à son tour, cette migration d'électrons et de trous libère une certaine quantité de photons, c'est-à-dire qu'une partie de l'énergie est émise sous forme de lumière, avec une longueur d'onde constante (monochromatique). C'est ce qui va caractériser la couleur de la LED, puisque selon la longueur d'onde qu'elle émet elle peut être IR, bleue, jaune, verte, jaune, ambre, blanche, rouge, UV, etc.
• La longueur d'onde émise du spectre électromagnétique, et donc la couleur, est déterminée par les matériaux semi-conducteurs qui forment la jonction PN de la diode. Par conséquent, les composés semi-conducteurs peuvent être variés ou joués avec pour créer de nouvelles couleurs dans le spectre ou la gamme visible.

Il faut dire que les couleurs rouge, bleu et vert (RGB ou Red Green Blue) peuvent être facilement combinées pour pouvoir produire de la lumière blanche. D'autre part, il faut dire que la tension de fonctionnement des LED varie également en fonction de la couleur. Par exemple, les couleurs rouge, vert, ambre et jaune ont besoin d'environ 1.8 volts pour fonctionner. Et c'est que la plage de tension de travail de la diode électroluminescente peut être déterminée en fonction de la tension de claquage du matériau semi-conducteur utilisé pour la fabrication de la LED.

Type de LED

Les LED peuvent être classées de plusieurs manières, l'une des principales est de le faire en fonction de la longueur d'onde qu'elles émettent, laissant deux catégories:

•  LED visibles: sont ceux qui émettent des longueurs d'onde dans le spectre visible, c'est-à-dire entre 400nm et 750nm. Cette plage correspond à ce que l'œil humain peut voir, tout comme dans le champ sonore, nous ne pouvons entendre qu'entre 20 Hz et 20 Khz. En dessous de 20 Hz, ce sont des infrasons que nous ne pouvons pas entendre, et au-dessus de 20 Khz, ce sont des ultrasons que nous ne pouvons pas non plus capter. Quelque chose de similaire se produit dans le cas de la lumière, ayant l'infrarouge ou l'IR lorsqu'elle descend en dessous de 400 nm et la lumière ultraviolette lorsqu'elle dépasse 750 nm. Les deux invisibles à l'œil humain.
•  LED invisibles: sont ces longueurs d'onde que nous ne pouvons pas voir, comme c'est le cas avec une diode IR ou une diode UV.

Les LED visibles sont principalement utilisées pour l'éclairage ou la signalisation. Les LED invisibles sont utilisées dans des applications telles que les commutateurs optiques, les communications et l'analyse optiques, etc., avec l'utilisation de photocapteurs.

Efficacité

Comme vous le savez bien, l'éclairage LED est beaucoup plus efficace que conventionnel, donc il consomme beaucoup moins d'énergie. Cela est dû à la nature des LED. Et dans le tableau suivant, vous pouvez voir la relation entre le flux lumineux et la puissance d'entrée électrique fournie à la LED. C'est-à-dire qu'elle peut être exprimée en lumens par watt (lm/W) :

Construction DEL

Source : ResearchGate

La la structure et la construction des diodes électroluminescentes sont très différentes de celles d'une diode normale, comme un zener, etc. La lumière sera émise par la LED lorsque sa jonction PN est polarisée en direct. La jonction PN est recouverte d'un dôme hémisphérique en résine époxy solide et en plastique transparent qui protège l'intérieur de la LED des perturbations atmosphériques, des vibrations et des chocs thermiques.

La jonction PN est formée à l'aide de les matériaux composés à bande interdite inférieure tels que l'arséniure de gallium, le phosphure d'arséniure de gallium, le phosphure de gallium, le nitrure d'indium et de gallium, le nitrure de gallium et d'aluminium, le carbure de silicium, etc. Par exemple, les LED rouges sont construites sur un substrat d'arséniure de gallium, vertes, jaunes et oranges sur du phosphure de gallium, etc. Dans les rouges, la couche de type N est dopée au tellure (Te) et la couche P est dopée au zinc (Zn). D'autre part, les couches de contact sont formées en utilisant de l'aluminium du côté P et de l'étain-aluminium du côté N.

Aussi, il faut savoir que ces jonctions n'émettent pas beaucoup de lumière, donc le dôme en résine époxy il est construit de manière à ce que les photons de lumière émis par la jonction PN soient mieux réfléchis et focalisés à travers celle-ci. C'est-à-dire qu'il agit non seulement comme un protecteur, mais aussi comme une lentille de concentration de lumière. C'est la raison pour laquelle la lumière émise semble être plus brillante au sommet de la LED.

Les LED sont conçues pour s'assurer que le la majeure partie de la recombinaison des porteurs de charge a lieu à la surface de la jonction PN pour des raisons évidentes, et cela est réalisé de cette manière:

• En augmentant la concentration de dopage du substrat, des électrons porteurs de charge minoritaires supplémentaires se déplacent vers le haut de la structure, se recombinent et émettent de la lumière sur la surface de la LED.
• En augmentant la longueur de diffusion des porteurs de charge, c'est-à-dire L = √ Dτ, où D est le coefficient de diffusion et τ est la durée de vie du porteur de charge. Lorsqu'elle est augmentée au-delà de la valeur critique, il y aura une possibilité de réabsorption des photons libérés dans le dispositif.

Ainsi, lorsque la diode LED est connectée avec une polarisation directe, transporteurs de fret ils acquièrent suffisamment d'énergie pour surmonter la barrière de potentiel existante à la jonction PN. Les porteurs de charge minoritaires dans les semi-conducteurs de type P et de type N sont injectés à travers la jonction et se recombinent avec les porteurs majoritaires. La combinaison des porteurs majoritaires et minoritaires peut se faire de deux manières :

• radiatif: lorsque la lumière est émise lors de la recombinaison.
• non radiatif: lors de la recombinaison aucune lumière n'est émise, de la chaleur est produite. C'est-à-dire qu'une partie de l'énergie électrique appliquée est perdue sous forme de chaleur et non de lumière. Selon le pourcentage d'énergie utilisé pour générer de la lumière ou de la chaleur, ce sera l'efficacité de la LED.

semi-conducteurs organiques

Récemment, ils ont également fait irruption sur le marché OLED ou des diodes électroluminescentes organiques, qui ont été utilisées pour les affichages. Ces nouvelles diodes organiques sont composées d'un matériau de nature organique, c'est-à-dire un semi-conducteur organique, où la conduction est autorisée en partie ou en totalité de la molécule organique.

Ces matières organiques peuvent se trouver dans phase cristalline ou en molécules polymériques. Cela a l'avantage d'avoir une structure très fine, un faible coût, ils ont besoin de très basse tension pour fonctionner, ils ont une luminosité élevée, et le contraste et l'intensité maximum.

Couleurs des DEL

Contrairement aux diodes semi-conductrices normales, les LED émettent cette lumière en raison des composés qu'elles utilisent, comme je l'ai mentionné plus tôt. Les diodes semi-conductrices normales sont fabriquées à partir de silicium ou de germanium, mais les diodes électroluminescentes ont composés comme:

• arséniure de gallium
• arséniure de gallium phosphure
• Carbure de silicium
• nitrure d'indium et de gallium

Le mélange de ces matériaux peut produire une longueur d'onde unique et différente, afin d'obtenir la couleur souhaitée. Différents composés semi-conducteurs émettent de la lumière dans des régions définies du spectre de la lumière visible et produisent donc différents niveaux d'intensité lumineuse. Le choix du matériau semi-conducteur utilisé dans la fabrication de la LED déterminera la longueur d'onde des émissions de photons et la couleur résultante de la lumière émise.

Motif de radiation

Le diagramme de rayonnement est défini comme l'angle d'émission lumineuse par rapport à la surface émettrice. Le maximum de puissance, d'intensité ou d'énergie sera obtenu dans la direction perpendiculaire à la surface émettrice. L'angle d'émission de lumière dépend de la couleur émise et varie généralement entre environ 80° et 110°. Voici un tableau avec différentes couleurs et matières:

La couleur de la lumière émise par une LED n'est pas déterminée par la couleur du corps en plastique qui entoure la LED. Cela doit être très clair. Comme je l'ai mentionné plus tôt, la résine époxy est utilisée à la fois pour améliorer le rendement lumineux et pour indiquer la couleur lorsque la LED est éteinte.

LED multicolore

Il existe sur le marché un grande variété de LED disponibles, avec différentes formes, tailles, couleurs, intensités lumineuses de sortie, etc. Cependant, il faut dire que la reine incontestée pour son prix est la LED rouge arséniure de gallium phosphure, d'un diamètre de 5mm. C'est le plus utilisé au monde, c'est donc celui qui est fabriqué en plus grande quantité.

Cependant, comme vous l'avez vu, il existe actuellement de nombreuses couleurs différentes, et plusieurs couleurs sont même combinées pour produire un LED multicolore comme celui que nous allons voir dans cette section…

Bicolor

Une LED bicolore, comme son nom l'indique, est une LED capable d'émettre en deux couleurs différentes. Ceci est réalisé en combinant deux LED de couleurs différentes dans le même boîtier. De cette façon, vous pouvez passer d'une couleur à l'autre. Par exemple, comme ces LED que vous voyez sur certains appareils pour indiquer l'état de charge de la batterie qui deviennent rouges lorsqu'elles sont en charge et vertes lorsqu'elles sont déjà chargées.

Afin de construire ces LED sont connectés en parallèle, avec l'anode d'une LED connectée à la cathode d'une autre LED et vice versa. De cette façon, lorsque l'alimentation est fournie à l'une des anodes, une seule LED s'allume, celle qui est alimentée par son anode. Si les deux anodes sont alimentées en même temps, il est également possible d'allumer les deux en même temps avec une commutation dynamique.

tricolore

Nous avons aussi des LED tricolores, c'est-à-dire qu'elles peut émettre trois couleurs différentes au lieu de deux. Ceux-ci combinent trois LED avec une cathode commune dans le même boîtier, et pour éclairer une ou deux couleurs, vous devez connecter la cathode à la terre. Et le courant fourni par l'anode de la couleur que vous souhaitez contrôler ou allumer.

C'est-à-dire que pour un éclairage LED à une ou deux couleurs, il est nécessaire de connecter le alimentation à l'une ou l'autre des anodes individuellement ou en même temps. Ces LED tricolores sont également souvent utilisées dans une multitude d'appareils, tels que les téléphones portables, pour indiquer des notifications, etc. De plus, ce type de diode génère des nuances supplémentaires des couleurs primaires en allumant les deux LED à différents rapports de courant continu.

LED RVB

Il s'agit essentiellement d'un type de LED tricolore, dans ce cas connu sous le nom de RVB (rouge vert bleu), car il émet ces lumières de trois couleurs. Ceux-ci sont devenus très populaires dans les bandes de garniture colorées et les équipements de jeu, comme vous le savez peut-être. Cependant, même si vous disposez des couleurs primaires, il n'est pas possible de générer toutes les couleurs et nuances. Certaines couleurs se situent en dehors du triangle RVB, et les couleurs comme le rose, le marron, etc. sont difficiles à trouver avec le RVB.

Avantages et inconvénients des LED

Il est maintenant temps de voir quels sont les principaux avantages et les inconvénients de ces diodes LED :

Avantages

• Tamaño pequeño
• Faible coût de production
• Longue durée de conservation (ne fondra pas)*
• Haute efficacité énergétique / faible consommation
• Basse température / moins de chaleur rayonnée
• Flexibilité de conception
• Ils peuvent produire de nombreuses couleurs différentes, et même de la lumière blanche.
• Vitesse de commutation élevée
• haute intensité lumineuse
• Peut être conçu pour focaliser la lumière dans une direction
• Ce sont des dispositifs semi-conducteurs à l'état solide, ils sont donc plus robustes : plus résistants aux chocs thermiques et aux vibrations
• Pas de présence de rayons UV

Inconvénients

• Dépendance à la température ambiante de la puissance de sortie rayonnante et de la longueur d'onde de la LED.
• Sensibilité aux dommages dus à une tension excessive et/ou à un courant excessif.
• L'efficacité globale théorique n'est atteinte que dans des conditions spéciales de froid ou de pulsation.

applications

Enfin et surtout, il est nécessaire de montrer quelles sont les applications possibles à qui ces LED colorées sont destinées :

• pour feux de véhicules
• Signalisation : indicateurs, panneaux, feux tricolores
• Afficher des informations visuelles sur des tableaux de bord
• Pour les écrans où les pixels sont constitués de LED
• Applications médicales
• Jouets
• Éclairage LED
• Télécommandes (LED IR)
• Etc.