Dans notre vie quotidienne, à part la chaleur du soleil, Les lumières LED sont devenues la principale source d’éclairage. Des écrans de téléphones portables qui nous accompagnent à tout moment à l'éclairage chaleureux et confortable de la maison., puis aux néons éblouissants qui ornent les villes la nuit, Les lumières LED captivent les gens par leur charme unique. Donc, pourquoi exactement les lumières LED peuvent-elles émettre de la lumière, et comment sont-ils capables d'afficher une gamme de couleurs aussi riche que le blanc, vert, bleu, et rouge? Quels mystères scientifiques se cachent derrière ce phénomène? Approfondissons et explorons ensemble.
Pourquoi les LED peuvent-elles émettre de la lumière?
Une LED est en fait une diode électroluminescente, qui est fait de matériaux semi-conducteurs. Le principe derrière la capacité d’une LED à émettre de la lumière repose sur sa structure de bande d’énergie unique et sur le processus de recombinaison des porteurs..
Les matériaux semi-conducteurs sont des cristaux de haute qualité dans lesquels les atomes sont disposés périodiquement dans l'espace.. Chaque atome est constitué d'un noyau chargé positivement et d'électrons chargés négativement. Puisqu'un cristal contient un grand nombre d'atomes, ces atomes interagissent les uns avec les autres. Cette interaction périodique forme des bandes d'énergie au sein du cristal, et de nombreuses bandes d'énergie sont présentes. Chaque bande d'énergie fournit de nombreuses positions que les électrons peuvent occuper, et la distribution des électrons dans une bande d'énergie progresse des positions d'énergie la plus basse vers celles avec une énergie plus élevée.
Dans les bandes d'énergie d'un cristal, certains sont occupés par des électrons tandis que d'autres ne le sont pas. Parmi les bandes énergétiques occupées, celui avec la plus haute énergie, si seulement partiellement rempli d'électrons, est connue sous le nom de bande de conduction. Les électrons dans la bande de conduction résident à des niveaux d’énergie relativement élevés et possèdent suffisamment d’énergie pour se déplacer librement., formant ainsi un courant électrique. Inversement, si cette bande d'énergie est complètement remplie d'électrons, c'est ce qu'on appelle la bande de valence. Les électrons dans la bande de valence sont à des niveaux d'énergie inférieurs, et leur énergie est insuffisante pour leur permettre de se déplacer librement. Il existe un certain écart énergétique entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction., connue sous le nom de bande interdite ou bande interdite. Les électrons ne peuvent pas résider dans cette région, bien qu'ils puissent le traverser.
Lorsqu'une tension externe est appliquée, certains électrons de la bande de valence peuvent être excités vers la bande de conduction, former des porteurs de charge se déplaçant librement. Entre-temps, dans la bande de valence initialement entièrement occupée, l'absence de certains électrons laisse des postes vacants, que nous appelons des trous. Les processus de mouvement et de recombinaison de ces porteurs de charge au sein du matériau semi-conducteur sont cruciaux pour réaliser l'émission de lumière..
Une LED est une diode électroluminescente, qui consiste en une structure de diode avec une jonction PN formée en combinant des semi-conducteurs de type P et de type N. Lorsque nous plaçons ensemble les semi-conducteurs de type P et de type N, même sans les connecter à un circuit, certains électrons diffuseront du semi-conducteur de type N vers le semi-conducteur de type P et tomberont dans les trous du matériau de type P. Cela amène le semi-conducteur de type P à acquérir une légère charge négative., tandis que le semi-conducteur de type N devient légèrement chargé positivement, entraînant la formation d’un champ électrique interne, connue sous le nom de jonction PN. Au sein de la jonction PN, quand les électrons rencontrent des trous, les électrons de la bande de conduction sauteront vers les trous de la bande de valence. Au cours de ce processus de recombinaison électron-trou, l'énergie est libérée sous forme de lumière. C'est le principe fondamental qui sous-tend la manière dont les LED émettent de la lumière..
Les lumières LED émettent une lumière de différentes couleurs
Le niveau d'énergie impliqué dans le processus d'émission de lumière est lié à la structure de bande d'énergie du matériau semi-conducteur.. Différents matériaux et structures de bandes d'énergie entraînent différentes longueurs d'onde et couleurs d'émission.. Spécifiquement:
Transition électronique et différence d’énergie
Lorsqu'un électron passe d'une orbitale de plus haute énergie à une orbitale de plus faible énergie, il libère de l'énergie qui se propage sous forme d'ondes électromagnétiques. La différence d'énergie libérée lors des transitions électroniques varie selon les différents éléments, correspondant à une lumière de différentes longueurs d'onde. Plus l'énergie est grande, plus la longueur d'onde est courte. Dans le spectre, l'énergie nécessaire augmente de gauche à droite. C'est pourquoi les LED rouges ont été inventées en premier, car ils nécessitent le moins d’énergie, suivi du vert, et puis bleu. C'est aussi pourquoi l'invention des LED bleues était un défi, car la lumière bleue nécessite plus d'énergie.
Longueurs d'onde de 400-500 les nanomètres correspondent à la lumière bleue, 500-600 nanomètres en feu vert, et 600-700 nanomètres en lumière rouge.
Sélection des matériaux et contrôle des couleurs
La jonction PN à l'intérieur d'une LED est généralement composée de composés tels que le phosphure d'arséniure de gallium. Quand différents matériaux sont utilisés, les longueurs d'onde de la lumière émise lors de l'électrification varient. Donc, en changeant simplement le matériau de la jonction PN interne, des diodes électroluminescentes de différentes couleurs peuvent être produites.
LED bleue: Lorsque le nitrure de gallium est utilisé comme matériau semi-conducteur, l'énergie de transition électronique est relativement élevée, libérant de la lumière avec une longueur d’onde d’environ 460 nanomètres, qui apparaît en bleu. C'est le principe de l'émission de LED bleues.
LED verte: Quand le phosphure de gallium est utilisé, la lumière émise a une longueur d'onde d'environ 560 nanomètres, présentant une couleur verte. Ceci explique le mécanisme d'émission des LED vertes.
LED rouge: Arséniure de gallium, d'autre part, émet de la lumière d’une longueur d’onde d’environ 660 nanomètres, apparaissant en rouge. C'est le principe qui sous-tend l'émission de LED rouges.
Produire de la lumière blanche avec des LED, également appelées LED blanches, des conceptions supplémentaires sont nécessaires. Une méthode consiste à combiner des diodes électroluminescentes de différentes couleurs pour créer un effet de lumière blanche.. Une autre approche utilise une LED bleue recouverte de phosphore. La lumière bleue émise par la LED éclaire le phosphore, convertir une partie de la lumière bleue en d'autres couleurs de lumière. L'effet final apparaît sous forme de lumière blanche.
A travers l'introduction détaillée ci-dessus sur le principe d'émission de lumière des LED et les mécanismes derrière leur émission de différentes couleurs, Je pense que tout le monde comprend désormais mieux les LED.. Avec des progrès technologiques continus, les applications des LED dans divers domaines tels que l'éclairage et les écrans deviendront encore plus répandues et remarquables.
