Cours sur les diodes électroluminescentes
Cours sur les diodes électroluminescentes
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Dispositifs Optoélectroniques
Emetteurs:
- Diode électroluminescente (Light emitting diodes)
- Diode laser (dispositif bipolaire)
- Laser à cascade quantique (dispositif unipolaire)
Détecteurs:
- Diode à avalanche
- Détecteur à puits quantiques (infra-rouge)
- Cellule photovoltaïque
- CCD
Modulateurs:
- modulation lumineuse haute fréquence (GHz)
Applications
Diodes électroluminescentes (LEDs):
- Affichage
- Eclairage
- Purification de l’eau (UV)
Diodes Lasers:
- CD-ROM, DVD
- Imprimante
- Projection
- Communication
Cellules solaires
- Production d’énergie électrique
Détecteurs
- Infra-rouge (vision nocturne)
- Ultra-violet (détection “solar blind”)
Matériaux pour l’optoélectronique
Arséniures: (Al,Ga,In)As
Phosphures: (Al,Ga,In)P
Nitrures: (Al,Ga,In)N
Domaine spectral
LEDs: émission
La lumière émise par une LED n’est pas monochromatiques: élargissement spectrale
Une diode électroluminescente est constituée d’une jonction p-n et d’une zone active au cœur de celle-ci. C’est là que vont avoir lieu les recombinaisons électrons-trous.
LED à homojonction
Homojonction Hétérojonction
3 nm
Puits quantique
(les électrons et les trous sont confinés et leur énergie est quantifiée)
LED à multi-puits quantiques
LED à multi-puits quantiques et barrière pour les électrons
LED à gap indirect
Indirect luminescence via un défaut localisé dans le gap
Rendement interne
Efficacité de conversion des électrons en photons
i = NR/(NR+R) rendement quantique interne
avec NR durée de vie non-radiative R durée de vie radiative
Le flux de photons émis est alors = i J/q
avec J le flux d’électrons
Le rendement interne peut atteindre 80 %
Rendement externe
Problème: les photons sont émis dans le semiconducteur et il faut donc qu’ils sortent!
Transmission 1 0° T = 1 – [(nsc-1)2/(nsc+1)2] Angle critique: c = arcsin(1/nSC)
Typiquement pour GaAs, nsc = 3.6 c = 16° et T = 0.7 à 0° Si on intègre sur l’angle solide, il n’y a que 4% de lumière extraite le rendement externe t est très faible si l’on considère une géométrie simple
Rendement quantique externe:
(nb de photons émis/nb d’électrons)
ext = i t
Il peut atteindre 40-50 % à condition de jouer sur l’extraction lumineuse
Exemple:
Fabrication
Substrat isolant (GaN/saphir)
Fabrication
Semi- Contact p
Contact n transparent
Ti/Al/Ni/Au Ni/Au Ni/Au plasma
Fabrication
LEDs bleues GaN de puissance LEDs blanches
Conversion du bleu par un phosphore jaune
> 70 lm/W
5 x le rendement des lampes à incandescence
LEDs blanches pour l’éclairage
lumière blanche avec 3 LEDs RVB
Efficacité maximale mais coût important
LEDs blanches pour l’éclairage
Diodes électroluminescentes (LEDs)
LEDs blanches: autres applications
Application LEDs
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A partir d’un spectre optique donné, il est possible de déterminer les coordonnées chromatiques sur le diagramme de chromaticité (figure 1). Sur ce diagramme, les couleurs monochromatiques sont représentées sur les bords (spectrum locus), la lumière blanche est localisée au centre. Entre le centre et les bords, se trouvent toutes les couleurs intermédiaires visibles par l’œil humain. Selon le principe d’additivité des couleurs, on peut obtenir, par mélange de deux sources, toute couleur définie sur le segment qui joint leurs représentations dans le diagramme et, par mélange de 3 sources, toute couleur située à l’intérieur du triangle qu’elles définissent, etc. L’émission lumineuse provenant de DELs n’est pas monochromatique au strict sens physique puisqu’il existe toujours une certaine largeur spectrale. C’est pourquoi elles ne peuvent pas être représentées exactement au bord du diagramme, comme le seraient des sources purement monochromatiques, mais à l’intérieur (triangles blancs sur la figure 1). Pour obtenir du blanc, il existe plusieurs combinaisons possibles. Il suffit par exemple de relier deux points de coordonnées monochromatiques, de façon à ce que la droite croise le centre, zone de lumière blanche, ou d’avoir trois sources dont les coordonnées définissent un triangle contenant le blanc.
Le blanc iso-énergétique se situe aux coordonnées (0,33 ; 0,33). Deux autres figures de mérite permettent de caractériser une source lumineuse : l’indice de rendu des couleurs (IRC) et la température de couleur. L’IRC permet de quantifier la capacité d’une source lumineuse à rendre compte des couleurs d’un objet. L’IRC est mesuré à partir d’une source lumineuse de référence comme le soleil (corps noir) ou une autre source lumineuse dont l’IRC est pris égal à 100. L’IRC est ainsi calculé à partir de la différence de couleurs donnée par la source test par rapport à un jeu de 8 échantillons de couleur standardisés. La somme, moyennée par un pré-facteur, est ensuite soustraite à 100. La température de couleur (Tc) d’une source lumineuse est la température d’un corps noir dont les coordonnées de chromaticité sont les plus proches de celles de la source de lumière considérée. Par exemple, la température de couleur de la flamme d’une bougie est de 1 850-1 900 K, celle d’une lampe à halogène de 100 W est de 3 000 K. Sur la figure 1 a aussi été reportée la courbe d’émission du corps noir, au centre du diagramme, ainsi que les températures de couleurs de DELs blanches de différents fabricants. Il faut retenir qu’une température de couleur élevée (respectivement faible) correspond à de la lumière blanche dite froide (respectivement chaude).
Une diode électroluminescente (DEL) est un composant constitué de semi-conducteurs qui émet de la lumière lorsqu’il est traversé par un courant électrique. La structure de base de la DEL est une jonction p-n, c’est-à-dire un empilement de deux couches semi-conductrices, la première de type p (trous majoritaires) et la seconde de type n (électrons majoritaires). Lorsque la jonction p-n est soumise à une tension directe, le courant électrique peut circuler. Le côté plus permet l’injection de trous et le côté moins l’injection d’électrons. L’injection de trous dans la zone N (et d’électrons dans la zone P) permet l’émission de photons par la recombinaison radiative électron-trou. Afin de favoriser ces recombinaisons radiatives, on insère généralement au milieu de la jonction p-n un ou plusieurs puits quantiques. Les électrons et les trous sont attirés à l’intérieur du puits au passage du courant. La rencontre spatiale des porteurs de charge est ainsi facilitée et donc l’émission de lumière par une recombinaison de paires électrons-trous plus importante. Toutes les DELs « haute brillance » commercialisées aujourd’hui ont une zone active constituée de puits quantiques.
Ainsi, seule la lumière se trouvant à l’intérieur du cône défini par l’angle θc, appelé cône d’extraction, peut être extraite dans l’air. Une émission isotrope donne alors un rendement d’extraction θextract = 1/2(1−cos(θc )), soit d’environ 4,5 % seulement pour une face dans le cas d’une DEL à base de GaN avec n ≈ 2,4. La principale méthode pour améliorer le rendement d’extraction consiste à placer le « cube » qui constitue la « puce » DEL sous un dôme en époxy (voir figure ci-dessous). Grâce à la géométrie du dôme, les photons se présentent sous un angle, par rapport à la normale de la surface, inférieur à l’angle critique, et ils sont donc transmis dans l’air. D’autre part, l’indice de l’époxy (≈ 1,6) est plus proche de celui du GaN et l’angle critique à l’interface semi-conducteur/époxy est donc plus grand qu’à l’interface semi-conducteur/air. Ces approches permettent d’obtenir des rendements d’extraction des photons de l’ordre de 20 %. Aujourd’hui ces rendements atteignent dans les meilleurs cas 70 % grâce à l’utilisation de techniques plus sophistiquées.