Fonctionnement d'une LED

Aide : présentation PowerPoint (A lancer en diaporama) et analogie hydrodynamique.

Les matériaux semi conducteurs sont composés de plusieurs éléments afin qu’ils satisfassent aux attentes (longueur d’onde, rendement). On n’utilise pas n’importe quel alliage pour réaliser une LED.

Les transitions radiatives s’opèrent entre des niveaux d’énergie discrets séparés entre eux par des bandes d’énergie interdite. La largeur d’une bande d’énergie est appelée gap. On démontre qu'une bande d'énergie saturée ne participe pas à la conduction. Pour qu'il y ait conduction, il faut une bande permise incomplète qu'on appelle bande de conduction. Les bandes permises saturées sont appelées bandes de valence.

La présence des électrons entre les bandes d'énergies est régie par la formule de Fermi Dirac

Dans une LED, il y a émission de photons lorsqu’un électron passe de la bande de conduction à la bande de valence. Cet électron franchit donc la bande d’énergie interdite qui sépare les deux niveaux d’énergie et se recombine avec un trou. L’émission d’un photon est donc subordonnée par une recombinaison trou-électron. Le photon ainsi émis est doté d’une énergie, régie par la relation Eg=H.v où Eg est appelé le gap, qui est la « hauteur de la chute ».

Dans la pratique les photons émis ne sont pas tous de la même longueur d’onde λo. Il existe une dispersion que l’on quantifie par Δλ, appelée largeur spectrale.

En règle générale, la structure d’une LED est à transition directe. C'est-à-dire qu’entre la bande de conduction et la bande de valence, l’électron ne change pas de vecteur d’onde. Il en résulte que de nombreux semi conducteurs simples ne sont pas utilisés. Nous pouvons citer, entre autre, le silicium (Si) ou le Germanium (Ge).

Une structure à transition indirecte n’est pas inenvisageable. En effet, il arrive qu’elles soient utilisées. Toutefois, le rendement de ce type de LEDs, par exemple celles au GaP (Gallium-Phosphore) fortement dopé, est plus faible.

4 : fil de bonding 5p : couche de type P (en excès de trous c'est à dire en déficit d'électron) 5n : couche de type N (en excès d'électrons) 5a : couche active 6 : coupelle réflectrice

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 zones, les électrons et les trous se recombinent en donnent naissance à un photon. D'où l'émission de lumière.

Pour obtenir des zones où est présent un excès ou un déficit d'électrons, on dope ces dernières. Le dopage consiste à incorporer un peu d’atomes étrangers dans le semi conducteur  (*). Cela constitue un dopage chimique (1). Mais il existe aussi les dopages physiques dus à des imperfections sensibles de la structure cristalline (*) (lacune, atome interstitiel, dislocation …)

(1) Le dopage chimique

Les atomes de l’élément semi conducteur s’organisent d’une manière bien spécifique. Ils forment une structure cristalline. Chaque atome possède quatre voisins avec lesquels il partage ses 4 électrons de sa dernière couche électronique. Il en résulte une structure qui est un isolant parfais car aucun électron n’est libre. Lorsque la température augmente, les électrons s’éloignent de leurs atomes et peuvent ainsi se déplacer plus facilement dans le cristal. Cependant, ces déplacements aléatoires n’engendrent que de très petites intensités. Que l’on appelle « le souffle électronique ».
Le dopage chimique à proprement parler consiste à injecter dans le semi conducteur des atomes qui ont juste un électron de plus ou de moins sur leur couche périphérique par rapport au semi conducteur.
A noter que la conductibilité du semi conducteur est directement liée à la proportion d’éléments étrangers introduits dans le cristal pur de départ.

Dopage N

On incorpore un élément « donneur » d’électrons, plus précisément un élément pentavalent (qui possède 5 électrons sur sa couche périphérique). Ces derniers appartiennent au groupe V de la classification périodique des éléments. Sur ses quatre électrons, quatre vont participer à la structure cristalline et un va être libre, et va avoir la possibilité de se déplacer dans le cristal. On dit que cette partie du cristal est porteuse de charges mobiles.
Exemple : le phosphore (P), l’arsenic (As).

Dopage P

On incorpore un élément « accepteur ». Plus précisément un élément trivalent. Ces derniers appartiennent au groupe III de la classification périodique des éléments. Trois atomes participent à la structure cristalline et non quatre. Ces déficits d’électrons créent ce qu’on appelle des « trous ». C’est à dire des lacunes en électrons. Ces « trous » se déplacent dans la couche P comme des particules de charge positive.
Exemple : le bore (B), l’aluminium (Al), le gallium (Ga), l’indium (In). En pratique, dans les led, le cristal n’est pas du silicium

L'analogie hydrodynamique : On réaliser une analogie hydrodynamique pour modéliser l'état passant et bloqué d'une diode.