UTILISATION DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES EN IMAGERIE ET EN MICROSCOPIE OPTIQUE

DIODES ELECTROLUMINESCENTES

 C’est en 1907 que H. J. Round rapporta la première émission de lumière par un semi-conducteur [2]. Sans explication évidente, cette découverte fut rapidement oubliée. Il a fallu attendre 1962 pour que Nick Holonyack et S.F Bevacqua de General Electric signent l’acte officiel de la diode électroluminescente rouge [3]. Depuis les événements se sont accélérés. En 1968 la première diode électroluminescente (DEL) commercialisée produisit une lumière rouge d’à peine de 10-3 lumen. Ainsi en matière d’éclairage efficace, de grands progrès ont été réalisés au cours des dernières décennies. Nous sommes passés de l’éclairage à incandescence ordinaire aux appareils à halogène, puis aux lampes fluorescentes compactes, et la technologie de l’avenir porte sur les DELs. Cependant, en raison de leur coût élevé, leur utilisation était limitée à certaines applications particulières comme les indicateurs sur les appareils électroniques de consommation et de bureautique. Les DELs ont grandement évolué ces dernières années et sont couramment utilisées dans plusieurs domaines d’application.

DEFINITION ET SYMBOLE

Les DELs sont des diodes qui émettent sous certaines conditions, une radiation électromagnétique. Le spectre d’émission est très étroit , et la longueur d’onde dépend du matériau. Les DELs émettant dans le visible ont un pic dans le rouge, le vert, le jaune. Figure 1 : symbole d’une diode 

STRUCTURE D’UNE DEL

Une DEL est toujours composée d’une puce semi-conductrice émettrice de lumière, d’un réflecteur, d’une lentille transparente en résine époxy, et de deux contacts d’alimentation, anode et cathode. Figure 2 : structure d’une DEL

PRINCIPES GENERAUX DE FONCTIONNEMENT D’UNE DEL 

FONCTIONNNEMENT D’UNE DEL

Schématiquement le principe de fonctionnement d’une DEL est le suivant : l’élément de base de toute diode électroluminescente est un semi-conducteur ayant deux régions de conductivité différente: une de type p (constituée essentiellement de charges positives : les trous) et une autre de type n (constituée essentiellement de charges négatives : les électrons), ainsi qu’une région de recombinaison radiative des porteurs « n » (électrons) et « p » (trous). Sous l’effet d’une différence de potentiel appliquée entre les deux couches, des électrons pénètrent dans la couche de type n. Ce qui équivaut à une injection de trous dans la couche de type p. A l’interface de ces deux 13 zones, les électrons et les trous se recombinent en donnant naissance à un photon. D’où l’émission de lumière (voir figure). Figure 3 : Principe de fonctionnement d’une DEL 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. Une des difficultés des DELs est de parvenir à extraire à l’air libre le maximum de photons émis au sein du semi-conducteur. En effet on peut mesurer l’efficacité lumineuse d’une DEL en introduisant un rendement quantique interne ηi(rapport entre le nombre de recombinaisons radiatives générées par la zone active et le nombre de recombinaisons totales de la DEL) qui rend compte des propriétés optiques du semiconducteur constituant la DEL, et un rendement d’extraction ηextract qui rend compte de la capacité de la diode à extraire un maximum de photons à l’interface semiconducteur-air. Le produit de ces deux rendements donne le rendement quantique externe ηe qui rend compte de l’efficacité de la DEL à produire de la lumière : ie ×= ηηη extract (1) Le rendement quantique externe peut encore se mesurer en faisant le rapport entre le nombre de photons émis et le nombre d’électrons injectés. Le rendement quantique interne est fonction du type de matériau (propriétés optiques) utilisé et de sa qualité cristalline (défauts non-radiatifs). Le rendement d’extraction est tout d’abord fonction de l’indice du semi-conducteur n et de la géométrie de la DEL .En effet, dans un semi-conducteur d’indice de réfraction n, la lumière est totalement réfléchie à l’interface semi-conducteur-air si l’angle d’émission dépasse une valeur critique νc donnée par la loi de Snell-Descartes : arcsin( 1 ) n υc = (2) Seule la lumière se trouvant à l.intérieur du cône défini par l’angle νc, appelé cône d’extraction, peut donc être extraite dans l’air tel que le montre la figure du profil d’émission d’une DEL. Une DEL émet de la lumière sous forme de cône. Figure 4 : Profil d’émission d’une DEL II.2 COULEUR D’UNE DEL La couleur d’une DEL standard est fixée par la valeur de l’énergie de bande interdite Eg du semi-conducteur utilisé λ ch Eg × = (3) où h est la constante de Planck, c la vitesse de la lumière et λ la longueur d’onde. 15 Pour un semi-conducteur de faible bande interdite de 1,5 à 2 eV (pour (Al,Ga)As ou (Al,Ga,In)P), la couleur d’émission est le rouge. Pour un semi-conducteur avec une grande bande interdite de 2,5 à 3 eV (cas de (Ga,In)N), la lumière produite est plutôt bleue et la longueur d’onde d’émission peut aller jusque dans l’ultra-violet au-delà de 3,5 eV (cas de (Al,Ga)N). La couleur d’une diode électroluminescente peut être générée de différentes manières [4] :  coloration due à la longueur d’onde du semi-conducteur (capot transparent) ;  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 : les DELs polychromatiques. Elles permettent surtout de proposer une vaste gamme de couleurs. Pour le blanc, on ne parle pas de longueur d’onde mais de température de couleur (TC). La température de couleur d’une source lumineuse est la température à laquelle un corps noir doit être chauffé pour obtenir une émission de la même couleur. Celle des diodes électroluminescentes est assez variable selon le modèle. Les LED permettent d’obtenir de la lumière colorée dans un domaine de longueur d’onde qui couvre l’intégralité du spectre visible mais également le proche infrarouge et l’ultraviolet. Le tableau ci-dessous donne, de manière non exhaustive, quelques semi-conducteurs utilises en fonction de la longueur d’onde d’émission désirée. Voici quelques colorations selon le semi-conducteur utilis