A. Objectifs de la séquence:à l'issue de la séquence, il faut être capable de:

•Comprendre le principe de fonctionnement de la diode et de la LED

•Savoir retrouver les caractéristiques d’une LED à travers une documentation constructeur.

•Calculer les éléments d’une structure permettant de commander une LED.

B.)Rappel sur la diode.

Le dopage d'un semi-conducteur monocristallin avec des accepteurs d'un côté et des donneurs de l'autre donne une jonction PN .

-+ - -

- - -

- - -

++

+++

+++

+

+

+

-

-

-

Type N Type PJonction P-N

Si Dopé(au phosphore)

Si dopé(au bore)

Porteur de charge mobileElectron

Trou

Charges statiques

-+

Atome accepteur ionisé

Atome donneur ionisé

ELe silicium, le germanium et l'arséniure de gallium sont les trois semi-conducteurs les plus utilisés.

Si la recombinaison d'un e- et d'un t+ n'est pas radiative →pas d'émission de photon .

SI et GE 4 e- à la périphérie.

B.1) Les semi-conducteurs

Un atome de silicium , comporte 14 électrons dont 4 électrons de valence. Les forces de liaisons entre les atomes voisins résultent ,du partage de chaque électron de valence d'un atome de silicium , par un de ses quatre plus proches voisins. Par conséquent, en dépit de la disponibilité de quatre électrons de valence, peu d'entre eux sont libres pour contribuer à la conduction.

Un semi-conducteur est donc un mauvais conducteur.Un semi-conducteur est donc un mauvais conducteur.

1)Principe

2)Dopage

Pour augmenter le nombre de porteurs, on introduit une impureté soigneusement contrôlée dans un semi-conducteur intrinsèque

Le niveau de dopage habituel va de 1 atome d'impureté par 106 à 108 atomes de silicium. Seul les propriétés électriques du semi-conducteur changent notablement. La mobilité électronique s'accroît d'un facteur 100 à 1000.

Dopage N Azote (N) Phosphore (P) Arsenic (As) Antimoine (Sb) 5 e-à la périphérie1 e- libre Dopage P Aluminium (Al) Gallium (Ga) Indium (In) 3 e- à la périphérie 1 trou+ libre.

C) LA DEL:(EN ANGLAIS LED LIGHT EMITTING DIODE)

symbole:

C.1) Principe:

P

N

Région active

Région morte

(+)

(-)

La recombinaison est radiative dans le cas du semi-conducteur à base de GaAs

Pour que ce phénomène de recombinaison radiative se manifeste encore faut-il créer une forte population d'électrons dans la bande de conduction, et de trous dans la bande de valence. C'est ce processus qui est appliqué dans les diodes électroluminescentes et dans les diodes lasers, le phénomène portant le nom d'électroluminescence.

C.2) Avantages:

Basse température de fonctionnement

Stabilité mécanique (insensible aux vibrations)

Faible encombrement

Compatibilité TTL

C.3) EVOLUTION

Le début des années 90 a vu l'apparition des premières LED bleues réalisées sur des couches de Nitrure de Gallium (GaN) déposées par épitaxie sur des substrats saphir . Par adjonction d'un matériau luminophore, il est possible "d'étendre" le spectre bleu et d'obtenir une émission sur plusieurs longueurs d'ondes aboutissant à une lumière "blanche"

Ces composants présentent maintenant un rendement lumineux de l'ordre de 20 Lumens par Watt, ce qui rentre en concurrence avec les systèmes d'éclairage par ampoules à incandescences.

Il est ainsi possible d'envisager le remplacement des technologies d'éclairage actuelles par des technologies semi-conducteurs à base de LED blanche.

Ampoule à filament Tube

fluorescent LED

Eclairage en lumen/W 5 à 20 70 5 à 20 Type d'éclairage (sans réflecteur) Non directif Non directif Angle 15 à 120 °

Durée de vie en heure 100 à 500 1.000 à 10.000 15 à 100.000 Temps d'allumage 0 s 0,5 à 2 s 0 s Eclairage maxi au bout de 0 s 1 à 2 mn 0 s Allumages répétés Mauvais Très mauvais Insensible Allumage à basse température Insensible Mauvais Insensible Coût moyen $ / Lumen 0,0005 0,002 0,2

C.4) Paramètres optiques et électriques

C.4.1.) SPECTRE:

Leur spectre d'émission au lieu de couvrir tout le domaine visible et même le proche infrarouge, présente une raie étroite, aussi bien pour une diode électroluminescente que pour une diode laser.

La longueur d'onde dépend du matériau semi-conducteur

C.4.2.) LINEARITE

La puissance lumineuse PL = f(IF) est pratiquement une droite sauf en cas d'échauffement.

C.4.3) TEMPS DE REPONSE

Il est égale à la durée de vie des e- dans la zone P (de 20 à 100ns)

fctr

35.0

C.4.4.) INTENSITE ENERGETIQUE

Donnée en W/sr pour un courant IF donné

C 4.5) ANGLE D’EMISSION

Angle total pour lequel la variation de puissance est divisée par 2.

C.4.6) DIAGRAMME DE RAYONNEMENT:

VFλ(nm)

1240

C.4.6) Paramètres électriques

Une DEL ne supporte pas une tension inverse très élevée (de 3 à 5V)Une DEL ne supporte pas une tension inverse très élevée (de 3 à 5V)

Tension inverse max en continu Vrmax

Tension directe VF

Relation entre la longueur d’onde de la LED et la tension directe VF

Courant direct max IFmax

L’intensité est comprise entre 20mA et 350mA(LED blanche LUXEON)L’intensité est comprise entre 20mA et 350mA(LED blanche LUXEON)

C.5) Commande d’une LED

C.5.1) En continu

IFVF

R

E

VFmin typique

VFmax typique

VF

IFdroite chargepour une resistanceà+/- x%

zone de fonctionnement

IF ≤ IF max

C.5.2) En pulsé

t

T

Tp

IFRM

Le rapport cyclique delta

T

Tp

La caractéristique PL=f(IF) n’est pas la même ainsi que celle de IF=f(VF)

Courant impulsionnel répétitifCourant impulsionnel répétitif

C.5.3) Commande en tension ou en courant ? :

Il y a deux raisons pour piloter une LED en courant et non en tension:

•La première est que la sortie de lumière est proportionnelle au courant (nb de porteurs traversant la jonction par seconde.)

•La seconde est la stabilité thermique.

V F

V F

P 1

P 0

V e

I F

( I F ) 0

T j > ( T j ) 0

( T j ) 0

T j < ( T j0 )

C o m m a n d e e n t e n s io n ( in s t a b le )

C o m m a n d e e n c o u r a n t ( s t a b le )

T j > ( T j ) 0( T j ) 0

T j < ( T j 0 )

I

D) EXERCICES

D.1) Lecture d’une documentation technique

Utiliser la documentation technique de la LED CQF24 led pour fibre optique:

Déterminer alors:

VR max

IF max

Ie max

Ptot

longueur d'onde

angle à mi-intensité θ1/2

D'aprés les caractéristiques , pour If=10mA en régime continu , que vaut Ie et VF ?

En régime pulsé ζ =0.1 IFRM=100mA que vaut Ie et VF ?

D.2) Détermination des éléments permettant la commande d’une LED

Led: CQF24

Transistor :Vbesat=0.7V ; Vcesat=0,2V ;β=100

a) Déterminer Les valeurs de RC et RB qui permettent de commander la led de façon optimale

b) Déterminer Les valeurs de Rc ,Rb, Re qui permettent de commander la led de façon optimaleOn veut URe=0,5V