Comment fonctionne une LED

Vous avez probablement déjà vu un affichage LED ou une source de lumière LED récemment. Vous en regardez peut-être une en ce moment si vous lisez ceci sur un certain type de moniteur d'ordinateur. LED signifie « Light Emitting Diode » (diode électroluminescente) et est devenu un composant omniprésent derrière tout, des lampes aux montres numériques, feux de circulation, phares de voiture, affichages textuels et une multitude d'appareils électroniques, y compris téléphones portables et téléviseurs. Mais derrière cet appareil apparemment simple se cache une technologie complexe et fascinante impliquant l'électronique et même la physique avancée.

Les bandes d'énergie

Pour comprendre exactement comment fonctionnent les LED, il faut d'abord saisir les fondamentaux. L'électricité consiste en des électrons qui peuvent être soit des particules, soit des ondes. Imaginez tout matériau solide possédant deux bandes d'énergie : une bande de valence et une bande de conduction. Pour qu'un solide conduise l'électricité, les électrons doivent passer de la bande de valence à la bande de conduction. La différence entre un métal conducteur et un isolant est que l'isolant a une frontière appelée « gap de bande » entre les deux bandes. Ce gap rend plus difficile le passage des électrons vers la bande de conduction, donc un isolant ne conduit généralement pas l'électricité.

Les semi-conducteurs

Certains isolants peuvent toutefois être forcés à laisser passer les électrons en appliquant de l'énergie sous forme de chaleur ou de lumière. L'énergie ajoutée excite les électrons de la bande de valence suffisamment pour qu'ils franchissent le gap et atteignent la bande de conduction. Ces matériaux, appelés semi-conducteurs, composent la plupart des composants électroniques. Un type de semi-conducteur est la diode.

Les diodes

L'électricité a tendance à circuler dans toutes les directions à la fois. Cependant, les circuits électroniques nécessitent que les électrons circulent dans une direction précise. Les diodes rendent cela possible en ne laissant passer le courant que dans un seul sens. Une diode agit comme une voie à sens unique : dans un sens elle conduit, dans l'autre elle isole et bloque le flux d'électrons.

L'apport des LED

La seule différence entre une diode « normale » et une diode électroluminescente est le matériau qui la compose. Une diode standard utilise des semi-conducteurs à base de silicium, tandis qu'une LED utilise une combinaison d'éléments comme le gallium, l'indium, l'aluminium, l'arsenic, le phosphore et l'azote. Dans toute diode, quand on applique un courant dans le sens « correct », les électrons passent de la bande de valence à la bande de conduction, laissant des trous dans la bande de valence. Après un certain temps, les électrons reviennent combler ces trous. Ce processus libère de l'énergie. Le silicium n'émet pas de lumière ; les diodes au silicium ne dégagent que de la chaleur. Mais avec les matériaux utilisés dans les LED, ce déplacement d'électrons fait émettre de la lumière.

Les couleurs

Chaque fois qu'un électron revient à travers le gap de la bande de conduction à la bande de valence dans une LED, il émet de l'énergie sous forme de lumière. La largeur du gap détermine la couleur de la lumière émise. Les premières LED étaient rouges, mais grâce aux avancées technologiques et aux ajustements du gap, les LED existent aujourd'hui dans une grande variété de couleurs.