Ouvrir le menu principal

Diode électroluminescente

semi-conducteur
Page d'aide sur les redirections « Led » redirige ici. Pour les autres significations, voir LED.
Diodes de différentes couleurs
Symbole de la diode électroluminescente

Une diode électroluminescente (abrégé en LED, de l'anglais : light-emitting diode, ou DEL en français) 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 et produit un rayonnement monochromatique ou polychromatique non cohérent par conversion d’énergie électrique lorsqu'un courant la traverse.

Elle compte plusieurs dérivées, principalement l'OLED, l'AMOLED et la 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[1]. Elles sont aussi utilisées dans la construction des écrans plats de téléviseur : pour le rétroéclairage des écrans à cristaux liquides ou comme source d'illumination principale dans les téléviseurs à OLED.

Les premières LED commercialisées ont produit de la lumière infrarouge, rouge, verte puis jaune[2],[3]. L'arrivée de la LED bleue, associée aux progrès techniques et d'assemblage, a permis de couvrir « la bande des longueurs d'onde[4] d'émission s’étendant de l'ultraviolet (350 nm) à l’infrarouge (2 000 nm), ce qui répond à de nombreux besoins[5]. ». De nombreux appareils sont munis de LED composites (trois LED réunies en un composant : rouge, vert et bleu) permettant d'afficher de très nombreuses couleurs.

HistoireModifier

La première émission de lumière par un semi-conducteur date de 1907 et est découverte par Henry Joseph Round. En 1927, Oleg Vladimirovich Lósev dépose le premier brevet de ce qui sera appelé, bien plus tard, une diode électroluminescente.

En 1955, Rubin Braunstein découvre l'émission infrarouge de l'arséniure de gallium[6], semi-conducteur qui sera ensuite utilisé par Nick Holonyak Jr. et S. Bevacqua pour créer la première LED rouge en 1962. Durant quelques années, les chercheurs se limitent à quelques couleurs telles que le rouge (1962), le jaune, le vert et plus tard le bleu (1972)[3],[7].

Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi AmanoModifier

Dans les années 1990, les recherches, entre autres, de Shuji Nakamura et Takashi Mukai de Nichia, dans la technologie des semi-conducteurs InGaN permettent la création de LED bleues de forte luminosité, ensuite adaptées en LED blanches, par adjonction d'un luminophore jaune[8]. Cette avancée permet de nouvelles applications majeures telles que l'éclairage et le rétroéclairage des écrans de téléviseurs et des écrans à cristaux liquides. Le , Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano reçoivent le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les LED bleues[9].

ÉconomieModifier

loi de Haitz 
Le développement de la technologie des LED suit une loi analogue à la loi de Moore, appelée loi de Haitz (en), du nom de Roland Haitz d’Agilent Technologies, et qui prévoit que les performances des LED doublent tous les trois ans, pour des prix divisés par dix tous les dix ans[10].

L'intérêt des lampes à LED en matière 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 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 dix milliards 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[11]. 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[11].

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[11]. 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 sur ce marché sont Nichia et Toyoda Gosei au Japon, notamment pour les LED GaN de « forte » puissance (plus de 1 watt), Philips Lumileds Lighting Company et OSRAM Opto Semiconductors GmbH en Europe, Cree et General Electric aux États-Unis. Samsung Electronics et Seoul Semiconductor (en) produisent des LED pour l'automobile.

Mécanisme d'émissionModifier

La recombinaison d'un électron et d'un trou d'électron dans un semi-conducteur conduit à l'émission d'un photon. 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  . 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 (Ei) et après (Ef) la transition :

 (eV)

Une diode électroluminescente est une jonction P-N qui doit être polarisée en sens direct lorsqu’on veut émettre de la lumière. Le potentiel imposé aux bornes doit être supérieur à celui imposé par la jonction P-N. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice de la LED est la zone P car c'est la plus radiative[12].

  Cliquez sur une vignette pour l’agrandir.

Techniques de fabricationModifier

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 propriétés 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 (< 950 nm, ce qui correspond au maximum de sensibilité des détecteurs au silicium) ; elles présentent une bonne linéarité jusqu’à 1,5 A. Enfin, les diodes à double hétérojonction (DH) AlGaAs offrent les avantages des deux techniques précédentes (faible tension directe) avec 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.

Efficacité lumineuseModifier

 
Un ours éclairé par des diodes électroluminescentes.

L'efficacité lumineuse varie selon le type de diodes, de 20 à 100 lm/W, et atteint en laboratoire 200 lm/W[13]. Une grande disparité de performances existe selon la couleur (température de couleur pour le blanc), la puissance ou encore la marque. Les diodes bleues n’excèdent pas 30 lm/W alors que les vertes ont une efficacité lumineuse atteignant 100 lm/W[14].

La limite théorique d’une source qui transformerait intégralement toute l’énergie électrique en lumière visible est de 683 lm/W[15], mais il faudrait qu’elle possède un spectre monochromatique de longueur d’onde 555 nm. L'efficacité lumineuse théorique d’une LED blanche est de l’ordre de 250 lm/W[16]. Ce chiffre est inférieur à 683 lm/W du fait que le maximum de sensibilité de l’œil se situe vers 555 nm.

L'efficacité lumineuse des LED blanches de dernière génération est supérieure à celle des lampes à incandescence mais aussi à celle 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 400 nm et 700 nm). 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 5 mm au lieu de 300 µm). 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.

Effet AugerModifier

Aux fortes intensités, l'efficacité lumineuse des LED chute au cours de leur vie. Il a été suspecté en 2007-2008[17],[18], mieux compris en 2010-2011[19],[20] puis confirmé début 2013 que cette diminution est attribuable à un « effet Auger » qui dissipe une partie de l'énergie sous forme de chaleur[21],[22]. Des projets de recherche visent à limiter ou contrôler cet effet[23].

SantéModifier

 
Spectres de lampes 1) sodium haute pression et 2) LED testées selon leur caractère plus ou moins attractif sur les insectes[24] (l'étude a montré que le spectre lumineux de la LED était beaucoup plus attractif pour les insectes[24]).

La méthode la plus rentable économiquement pour fabriquer des LED, qui consiste à combiner une diode émettant une longueur d'onde courte (dans le bleu) avec un luminophore jaune pour produire de la lumière blanche, pose la question de la composante intense dans la partie bleue du spectre de la lumière émise.

Sur cette question, en France, l'Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail (ANSES) recommande de ne plus commercialiser auprès du grand public que les LED ne présentant pas de risque lié à la lumière bleue, ainsi qu'une mise à jour de la norme franco-européenne NF EN 62 471[25],[26],[27].

EnvironnementModifier

Le bilan environnemental des diodes électroluminescentes est discuté, car leur développement considérable pourrait augmenter les tensions sur le marché de certaines ressources non renouvelables (terres rares ou métaux précieux) et parce que la conversion des éclairages urbains aux LED semble souvent susciter une augmentation de l'illumination globale du ciel nocturne, et donc de la pollution lumineuse, visible depuis l'espace[28].

En contrepartie, les LED ont un fort potentiel d'économies d'énergie, si leur utilisation est raisonnée pour éviter le risque d'effet rebond[réf. souhaitée].

Effets sur la fauneModifier

Des préoccupations concernent également l'impact sanitaire de lampes mal utilisées. Ainsi, 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[29] et semble contribuer à la régression ou la disparition de nombreuses espèces de papillons[30], l'éclairage public tend à utiliser à grande échelle les diodes électroluminescentes[24]. La question de l’impact des spectres lumineux des lampes prend donc de l’importance[31]. Ces spectres lumineux ont récemment beaucoup changé, et ils changeront encore avec le développement des LED[32]. 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 actifs quand la température s’élève). Lors de cette étude, plus de 20 000 insectes ont été capturés et identifiés : les espèces les plus fréquemment piégées étaient des papillons et des mouches[24].

Ces lampes sont froides et ne brûlent 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[33] (les auteurs pointent les ports où un éclairage LED pourrait directement attirer des ravageurs ou des espèces exotiques envahissantes accidentellement apportées par des bateaux[24]). Ces espèces anormalement favorisées pouvant à leur tour mettre en péril des espèces natives rares ou menacées[34].

L’étude de 2014 n’a pas pu conclure que manipuler la température de la couleur des LED diminuait leur impact, mais les auteurs estiment qu'utiliser des filtres ou une combinaison de LED rouges, vertes, et bleues pourrait peut-être diminuer cette attraction fatale, au prix d'une consommation électrique et d’énergie grise[24] ou de terres rares accrue. Ils 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[24]. En amont, l'écoconception des LED pourrait faciliter le recyclage des lampes usagées et, en aval, le ré-usage de LED d'objets désuets ou en fin de vie. De même, des systèmes intelligents d'asservissement de l'éclairage aux besoins réels sont possibles : 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 comportant la détection de présence et de luminosité ambiante, si possible intégré dans un smart grid ou un système écodomotique plus global. En 2014, quatre 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 »[35] (à l'installation, ces systèmes sont 60 % plus chers, mais ce surcoût doit être rapidement récupéré par les économies d'électricité et l'amélioration de la qualité de l'environnement nocturne).

Article détaillé : Pollution lumineuse.

Caractéristiques techniquesModifier

FormeModifier

 
Lampe à LED de 1 W.

Ce composant peut être encapsulé dans divers boîtiers destinés à canaliser le flux de lumière émis de façon précise : cylindrique à bout arrondi en 3, 5, 8 et 10 mm de diamètre, cylindrique à bout plat, ou de forme plate (LED SMD[36]), rectangulaire, sur support coudé, en technologie traversante ou à monter en surface (Composant monté en surface, CMS).

Les LED de puissance ont des formes plus homogènes : la Luxeon 1 W 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.

LuminositéModifier

Cette section ne cite pas suffisamment ses sources (novembre 2019)
Pour l'améliorer, ajoutez des références vérifiables [comment faire ?] ou le modèle {{Référence nécessaire}} sur les passages nécessitant une source.

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.

 
Lampes à diode électroluminescente.

Des LED de forte puissance ont vu le jour au début des années 2000. Dans la première décennie du XXIe siècle, des rendements lumineux d'environ 130 lumens/watt sont ainsi atteints[réf. nécessaire]. Par comparaison, les ampoules à filament de tungstène de 60 W atteignent un rendement lumineux d'environ 15 lumens/watt[réf. nécessaire].

Les LED sont, en 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 lampes classiques.

CouleursModifier

La couleur de la lumière d'une diode électroluminescente peut être produite de différentes manières[37],[38] :

  • couleur due à la nature du semi-conducteur (capot transparent) : la longueur d'onde émise correspond directement au gap du matériau utilisé ;
  • coloration modifiée par le capot de la diode (émission bleue ou UV + revêtement à base de luminophores) ;
  • coloration par plusieurs émissions de longueur d'onde différentes (diodes électroluminescentes polychromatiques). Elles permettent notamment de proposer une vaste gamme de couleurs[39].

Voici quelques colorations en fonction du semi-conducteur utilisé :

Couleur Longueur d’onde (nm) Tension de seuil (V)[réf. nécessaire] Semi-conducteur utilisé
Infrarouge λ > 760 ΔV < 1,63 arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs)
Rouge 610 < λ < 760 1,63 < ΔV < 2,03 arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs)
phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Orange 590 < λ < 610 2,03 < ΔV < 2,10 phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Jaune 570 < λ < 590 2,10 < ΔV < 2,18 phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Vert 500 < λ < 570 2,18 < ΔV < 2,48 nitrure de gallium (GaN)
phosphure de gallium (GaP)
Bleu 450 < λ < 500 2,48 < ΔV < 2,76 séléniure de zinc (ZnSe)
nitrure de gallium-indium (InGaN)
carbure de silicium (SiC)
Violet 400 < λ < 450 2,76 < ΔV < 3,1
Ultraviolet λ < 400 ΔV > 3,1 diamant (C)
nitrure d'aluminium (AlN)
nitrure d'aluminium-gallium (AlGaN)
Blanc Chaude à froide ΔV = 3,5

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.

Câblage et alimentation électriqueModifier

Cette section ne cite pas suffisamment ses sources (novembre 2019)
Pour l'améliorer, ajoutez des références vérifiables [comment faire ?] ou le modèle {{Référence nécessaire}} sur les passages nécessitant une source.

Les diodes électroluminescentes sont polarisées : on raccorde le pôle « - » à la cathode « - » et donc le pôle « + » à l'anode « + » (elles présentent au courant électrique un « sens passant » et un « sens bloquant »). Les diodes à dôme basse puissance 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 (cf. illustration).

  Cliquez sur une vignette pour l’agrandir.

Sur tous les modèles et pour toutes les puissances, il est indispensable de ne pas dépasser l’intensité admissible (typiquement : 10 à 30 mA pour une LED de faible puissance et de l'ordre de 350 à 1 000 mA pour une LED de forte puissance). On intercaler pour cette raison un circuit limiteur de courant, souvent une résistance en série pour les faibles puissances. Les données du fabricant permettent de calculer la résistance en fonction de cette intensité désirée I, de Valim la tension d’alimentation, de VLED la tension directe de la LED et du nombre n de LED en série (loi d'Ohm : R = (Valim - n × VLED) / I). On peut regrouper plusieurs diodes dans un schéma série ou série-parallèle : les tensions directes s’additionnant en mode série ; ce qui permet de diminuer la résistance en série et donc d’augmenter le rendement du dispositif. Le courant maximal admissible est lui multiplié par le nombre de diodes en parallèle.

Une méthode peu dispendieuse en énergie et adaptée aux plus forte puissances consiste à utiliser un circuit de régulation du courant construit sur des principes analogues à ceux mis en œuvre dans les alimentations électriques à découpage. Cette méthode est employée pour les lampes LED d’éclairage, le circuit est intégré dans les culots des lampes.

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…)[40].

Points forts et faiblessesModifier

Cette section ne cite pas suffisamment ses sources (novembre 2019)
Pour l'améliorer, ajoutez des références vérifiables [comment faire ?] ou le modèle {{Référence nécessaire}} sur les passages nécessitant une source.

AvantagesModifier

  • Petite taille : on peut par exemple construire des LED de la taille d'un pixel (ce qui ouvre la possibilité d'utiliser des diodes pour construire des écrans de haute résolution).
  • Facilité de montage sur un circuit imprimé, traditionnel ou composant monté en surface (CMS).
  • Consommation inférieure aux lampes à incandescence et du même ordre de grandeur que les tubes fluorescents.
  • Excellente résistance mécanique (chocs, écrasement, vibrations).
  • Taille beaucoup plus réduite que les lampes classiques, ce qui offre la possibilité de réaliser des sources de lumière très ponctuelles, de faible à très faible consommation électrique (quelques dizaines de milliwatts) et avec un bon rendement. En assemblant plusieurs LED, on peut réaliser des éclairages avec des formes novatrices.
  • Durée de vie (20 000 à 50 000 heures environ) beaucoup plus longue qu’une lampe à incandescence (1 000 heures) ou qu'une lampe halogène (2 000 heures), mais du même ordre de grandeur que les lampes fluorescentes (5 000 à 70 000 heures). Les lampes puissantes voient leur durée de vie limitée, mais pouvant néanmoins atteindre 10 000, voire 15 000 heures selon le type d'utilisation qui en est fait[41][source insuffisante],[42].
  • Fonctionnement en très basse tension (TBT), gage de sécurité et de facilité de transport. Pour les campeurs, des lampes de poche à LED peuvent être actionnées par une simple dynamo à main (« lampe à manivelle ») de mouvement lent.
  • En matière de sécurité, par rapport aux systèmes lumineux classiques, l'inertie lumineuse est quasiment nulle. Elles s’allument et s’éteignent en un temps très court, ce qui permet l’utilisation en transmission de signaux à courte distance (optocoupleurs) ou longue (fibres optiques). Les LED atteignent immédiatement leur intensité lumineuse nominale.
  • Les LED classiques de 5 mm ne chauffent presque pas. Pour les montages de puissance supérieure à 1 W, il faut prévoir une dissipation de la chaleur, faute de quoi la diode sera fortement endommagée, voire détruite du fait de l’échauffement. En effet, une diode électroluminescente convertit environ 20 % de l’énergie électrique en lumière, le reste étant dégagé sous forme de chaleur.
  • Les LED RVB (rouge-vert-bleu) permettent des mises en valeur colorées avec des possibilités de variations sans limite.

InconvénientsModifier

 
Spectre du rayonnement émis par une lampe à LED blanche.
  • L'indice de rendu de couleur (IRC) s'est amélioré depuis 2010. Les LED dites blanches sont généralement des LED bleues ou émettant dans l'UV, dont une partie de la lumière produite est transformée par fluorescence en lumière jaune au moyen d'un luminophore qui est souvent un grenat d'yttrium et d'aluminium dopé par des ions de terres rares tels que le cérium trivalent Ce3+ (d'autres matériaux luminescents pouvant être utilisés pour produire un blanc plus chaud)[43],[44] : le spectre est moins régulier que celui d'une lampe halogène. Plus rarement, le blanc est obtenu au moyen de trois diodes de couleurs différentes.
  • Les LED, comme tout composant électronique, ont des limites maximales de température de fonctionnement, de même que certains composants passifs constitutifs de leur circuit d'alimentation (comme les condensateurs chimiques qui s'échauffent en fonction du courant efficace), ce qui conditionne en partie la durée de vie des lampes à LED. La dissipation thermique des composants des ampoules à LED est un facteur limitant leur montée en puissance, notamment en assemblages multipuces[45]. Les recherches portent sur des moyens de limiter la température et de mieux dissiper la chaleur des LED de puissance (par exemple pour des lampadaires ou phares automobiles)[45],[46].
  • Selon le constructeur Philips, l'efficacité lumineuse de certaines LED baisse rapidement (comme pour la plupart des technologies lumineuses) pour ne plus produire en fin de vie que 20 % de la quantité de lumière initiale, mais pour les LED les plus performantes du marché, la quantité de lumière produite en fin de vie serait encore d'au moins 70 %[47]. La température accélère la baisse de l'efficacité lumineuse. Philips précise également que la couleur peut varier sur certaines LED blanches et tirer sur le vert en vieillissant[48].
  • Le processus de fabrication d'une LED est très coûteux en énergie[réf. nécessaire].

PerspectivesModifier

En , le Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (LETI) du CEA et son voisin, l'Institut des nanosciences et cryogénie (INAC), ont mis au point une diode électroluminescente quatre fois moins chère à produire et produisant trois fois plus de lumière[49],[50],[51].

UtilisationsModifier

Cette section ne cite pas suffisamment ses sources (novembre 2019)
Pour l'améliorer, ajoutez des références vérifiables [comment faire ?] ou le modèle {{Référence nécessaire}} sur les passages nécessitant une source.
 
Différents types de LED.
 
Costume LED.

FamillesModifier

Il existe plusieurs manières de classer les diodes semi-électroluminescentes :

Classement selon la puissanceModifier

La première est un classement par puissance :

  • les diodes électroluminescentes de faible puissance < 1 W. Ce sont les plus connues du grand public car elles sont présentes dans notre quotidien depuis des années. Ce sont elles qui jouent le rôle de voyant lumineux sur les appareils électroménagers par exemple ;
  • les LED de forte puissance > 2 W. Elles sont en plein essor et leurs applications sont de plus en plus connues du grand public : flash de téléphones portables, éclairage domestique, éclairage de spectacle, lampe de poche ou frontales… Le principe de fonctionnement est identique. Certaines différences significatives existent entre les deux familles, consacrées chacune à un champ d’application spécifique.

Classement selon le spectre d'émissionModifier

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'onde de l'ordre de 380 à 780 nm) 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) :

  • les chromatiques : l'énergie est concentrée sur une plage étroite de longueur d'onde (20 à 40 nm). Ces sources ont un spectre quasiment monochromatique ;
  • les blanches : l'énergie est répartie dans le visible sur toute la gamme de longueurs d'onde (380 à 780 nm environ) ;
  • les infrarouges : l'énergie est émise hors du spectre de la lumière visible (au-delà de 700 nm de longueur d'onde). Elles sont utilisées pour transmettre des signaux de télécommandes ou pour de la télémesure exploités par exemple dans la détection de position des consoles de jeux telles que la Wii, ou servir d'éclairage pour les caméras infrarouge, etc.

Autres classementsModifier

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…)

Diodes électroluminescentes ordinairesModifier

ÉclairageModifier

 
Ampoule LED allumée
 
Ampoule LED
  • Signalisation routière, feux arrière de voitures ou de bicyclettes.
  • Signalisation ferroviaire.
  • Éclairage invisible pour caméras de surveillance (dans l’infrarouge).
  • Luminaires et éclairage public (plus récemment), avec par exemple Los Angeles, première métropole qui a remplacé ses 140 000 ampoules d'éclairage urbain par des diodes électroluminescentes de 2009 à 2014, ce qui devrait réduire de l'équivalent de 40 500 tonnes de carbone les émissions annuelles de cette ville (soit l'équivalent des émissions de 6 700 voitures)[52]. Après le remboursement de l'investissement, la ville pense aussi diminuer ses charges d'éclairage en économisant annuellement 10 millions de dollars[52].

AffichageModifier

  • Signalisation d’état d’appareils divers (lampes témoins en face avant ou sur le circuit, tableaux de bord de voitures, équipements de sécurité).
  • Affichage alphabétique ou numérique d’appareils de mesure, de calculatrices, d’horloges.
  • Affichages de niveaux de mesures (niveaux de cuves, VU-mètres).
  • Affichage statique ou dynamique de messages (journaux lumineux).

Source de lumière quasi monochromatiqueModifier

  • Photocoupleur.
  • Transmission de signaux par fibre optiques.
  • Télécommandes (LED infrarouges).
  • Cellules photoélectriques (LED infrarouges).
  • Faisceau laser pour les appareils de mesure.
  • Faisceau laser pour la lecture et la gravure des CD et DVD.
  • Luminothérapie contre l'acné.

Diodes électroluminescentes blanchesModifier

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[53].

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).[réf. nécessaire]

Essor des LEDModifier

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 Régie autonome des transports parisiens (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 décide de modifier la totalité de son éclairage vers la technologie LED. C'est plus de 250 000 luminaires qui seront modifiés, faisant ainsi du métro parisien le premier réseau de transport en commun d'envergure à adopter le « tout LED »[54]. Le remplacement des éclairages est finalisé en 2016[55].

Notes et référencesModifier

  1. Elsa Bembaron, « Les lampes passent aux LED », Le Figaro, (consulté le 25 mars 2010).
  2. Jonathan Parienté, « La belle histoire des LED », Le Monde, (consulté le 21 octobre 2015).
  3. a et b C. Noé, Photobiomodulation en dermatologie : Comprendre et utiliser les LED, John Libbey Eurotext - Doin, coll. « Lasers et technologies apparentées », , 182 p..
  4. Il s'agit en fait plus exactement de la gamme des couleurs, c'est-à-dire de ce dont l'œil reçoit l'impression.
  5. B. Chambion, Étude de la fiabilité de modules à base de LEDs blanches pour applications automobile (thèse de doctorat), 253 p. (lire en ligne [PDF]), chap. I (« État de l'art des LED blanches de puissance pour l’éclairage automobile »), p. 16.
  6. Benjamin Monteil, « Historique des LEDs », sur LED-fr.net, (consulté le 19 novembre 2017).
  7. (en) « Nobel Shocker: RCA Had the First Blue LED in 1972 », IEEE Spectrum (consulté le 21 octobre 2015).
  8. Nicolas Pousset, « Caractérisation du rendu des couleurs des LED », sur tel.archives-ouvertes.fr, , p. 44-45.
  9. (en) « The Nobel Prize in Physics 2014 », sur Site officiel du prix Nobel, (consulté le 7 octobre 2014).
  10. (en) « Haitz's law », Nature Photonics, vol. 1, no 1,‎ , p. 23 (DOI 10.1038/nphoton.2006.78, Bibcode 2007NaPho...1...23).
  11. a b et c B. Chambion, op. cit., chapitre I (« État de l’art des LED blanches de puissance pour l’éclairage automobile ») , p. 19/253.
  12. Nicolas Pousset, Caractérisation du rendu des couleurs des LED (thèse de doctorat), (lire en ligne), p. 48-49, 52.
  13. (en) « Delivering up to 200 lumens per watt », Cree (consulté le 28 janvier 2013).
  14. (en) « LUXEON Rebel direct color specification » [PDF], sur philipslumileds.com.
  15. Cette valeur dérive directement de la définition de la candela[Comment ?] et, par extension, du lumen.
  16. Le fabricant Cree a annoncé réaliser 254 lm/W en laboratoire : (en) « Cree sets new R&D performance record with 254 lumen per watt power LED », sur Cree.
  17. (en) Bulashevich, K. A., & Karpov, S. Y. (2008). Is Auger recombination responsible for the efficiency rollover in III‐nitride light‐emitting diodes?. physica status solidi (c), 5(6), 2066-2069.
  18. Gardner, N. F., Müller, G. O., Shen, Y. C., Chen, G., Watanabe, S., Götz, W., & Krames, M. R. (2007). Blue-emitting InGaN–GaN double-heterostructure light-emitting diodes reaching maximum quantum efficiency above 200A∕ cm2. Applied physics letters, 91(24), 243506 (résumé).
  19. Li, X., Liu, H., Ni, X., Özgür, Ü., & Morkoç, H. (2010). Effect of carrier spillover and Auger recombination on the efficiency droop in InGaN-based blue LED. Superlattices and Microstructures, 47(1), 118-122 (résumé).
  20. (en) Kioupakis, E., Rinke, P., Delaney, K. T., & Van de Walle, C. G., Indirect Auger recombination as a cause of efficiency droop in nitride light-emitting diodes. Applied Physics Letters, 98(16), 2011, 161107.
  21. « On sait enfin pourquoi les LED sont peu efficaces », Le Monde, 6 mai 2013.
  22. (en) « Direct measurement of Auger electrons emitted from a semiconductor light-emitting diode under electrical injection », Physical Review Letters, (consulté le 8 novembre 2019) et (en) « 1304.5469v1 » [PDF], sur arXiv.
  23. Bae, W. K., Park, Y. S., Lim, J., Lee, D., Padilha, L. A., McDaniel, H., ... & Klimov, V. I. (2013). Controlling the influence of Auger recombination on the performance of quantum-dot light-emitting diodes. Nature communications, 4.
  24. a b c d e f et g (en) S.M Pawson, M. K.-F. Bader, « LED lighting increases the ecological impact of light pollution irrespective of color temperature », Société américaine d'écologie, octobre 2014.
  25. « LED - Diodes électroluminescentes », sur Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail, .
  26. « Systèmes d’éclairage utilisant des diodes électroluminescentes : des effets sanitaires à prendre en compte » [PDF], sur ANSES, (consulté le 19 mai 2019).
  27. « NF EN 62471 », Sécurité photobiologique des lampes et des appareils utilisant des lampes, sur AFNOR, (consulté le 19 mai 2019).
  28. (en) Christine Nguyen et Julia Calderone, « Astronauts found something troubling in these shots from space », businessinsider.com, 12 janvier 2016 [vidéo].
  29. (en) Thomas W. Davies, Jonathan Bennie et Kevin J. Gaston, « Street lighting changes the composition of invertebrate communities », Biology Letters, 23 octobre 2012 (en ligne le 23 mai 2012).
  30. (en) Richard Fox, « The decline of moths in Great Britain: a review of possible causes », Insect Conservation and Diversity, 2013 [PDF].
  31. (en) Thomas W. Davies, Jonathan Bennie, Richard Inger, Natalie Hempel de Ibarra et Kevin J. Gaston, « Artificial light pollution: are shifting spectral signatures changing the balance of species interactions? », Global Change Biology, vol. 19, no 5,‎ , p. 1417–1423 (lire en ligne).
  32. (en) E. F. Schubert, J. K. Kim, « Solid-state light sources getting smart, » Science, 27 mai 2005.
  33. (en) Willian E. Walliner, Lee M. Humble, Robert E. Levin, Yuri N. Baranchikov et Ring T. Card, « Response of adult lymantriid moths to illumination devices in the Russian far east », Journal of Economic Entomology, vol. 88, no 2, avril 1955.
  34. (en) David L. Wagner, Roy G. Van Driesche, « Threats posed to rare or endangered insects by invasions of nonnative species », Annual Review of Entomology, 2010 [PDF].
  35. (en) Commission européenne, « LITES: Led-based intelligent street lighting for energy saving », (archive, consulté le 11 octobre 2014), courte présentation [PDF] et notice, sur CORDIS.
  36. « LED SMD », sur espaceampouleled.fr (consulté en avril 2014).
  37. Laurent Massol, « LED blanches : les différentes technologies », Led Engineering Development [PDF] (consulté le 14 novembre 2015).
  38. Nicolas Pousset, Caractérisation du rendu des couleurs des LED (thèse de doctorat), (lire en ligne[archive du ]), p. 50-52.
  39. « Nous savons aujourd’hui produire des LED de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel et même d’un très grand nombre de couleurs qui ne sont « pas » présentes dans l’arc-en-ciel ». Des couleurs comme le marron ne sont en effet pas présentes dans l’arc-en-ciel, et produites par panachages de longueurs d’onde (LED polychromatiques).
  40. N. Pousset, B. Rougié, S. Aubert et A. Razet, « LED de puissance blanches : sources de lumière de demain » [PDF], sur nicolas.pousset.pagesperso-orange.fr/, .
  41. F. Bedu et al., Support de formation sur l'éclairage automobile, Renault, 2012.
  42. OSRAM, Reliability of the OSLON Product Family, 2012 [PDF].
  43. Nicolas Grandjean, « Les LED blanches », Pour la Science, no 421,‎ , p. 32-38.
  44. N. Pradal, Synthèses, mise en forme et caractérisations de luminophores nanostructurés pour une nouvelle génération de dispositifs d'éclairage sans mercure (thèse de doctorat), université Blaise Pascal-Clermont-Ferrand II, 2012.
  45. a et b R. Ait Lhadj, A. Khamlichi et F. Mata Cabrera, Optimisation de la conception d'un dissipateur thermique pour luminaire à diode électroluminescente, Besançon, 20e Congrès français de mécanique, 28 août-2 septembre 2011.
  46. (en) P. Panaccione, T. Wang, X. Chen, L. SUSAN et G. Q. Lu, « Improved heat dissipation and optical performance of high-power LED packaging with sintered nanosilver die-attach material », Journal of Microelectronics and Electronic packaging, no 7(3), 2010, p. 164-168.
  47. La législation[Où ?] impose aux fabricants d'indiquer la puissance lumineuse de leurs ampoules LED au bout de 6 000 heures d'utilisation.
  48. « Les lampes à LED : tout savoir avant d'acheter », sur ddmagazine.com, 30 septembre 2009.
  49. « Le prix EARTO Innovation Awards 2016 remis au Leti et à l’Inac », sur inac.cea.fr, 2 décembre 2016.
  50. « EARTO Innovation Awards 2016 », sur earto.eu, 12 octobre 2016.
  51. « Le CEA récompensé par le prix EARTO Innovation Awards 2016 pour une LED 3D révolutionnaire », CEA, 28 octobre 2016.
  52. a et b « L’éclairage public de Los Angeles se met aux LED », Enerzine.com, 23 février 2009.
  53. LED-Throwies.
  54. La RATP lance un appel d’offres pour remplacer l’ensemble des points lumineux par un éclairage à LED « Copie archivée » (version du 6 août 2018 sur l'Internet Archive) [PDF]
  55. Aurélie Barbaux, « La RATP fait école avec son éclairage 100 % LED », L'Usine Nouvelle,‎ (lire en ligne).

BibliographieModifier

  • Frank Wohlrabe, Guide pratique de l’infrarouge : télécommande, télémétrie, tachymétrie, Publitronic, 29 mai 2002, (ISBN 2866611284).
  • Libero Zuppiroli et Daniel Schlaepfer, Lumières du futur, Presses polytechniques et universitaires romandes, 2011, (ISBN 9782880749422).

AnnexesModifier

Sur les autres projets Wikimedia :

Articles connexesModifier

Liens externesModifier