vendredi 10 juillet 2015

DEL

DEL acronyme de Diode ElectroLuminescente. La plupart du temps j'utilise l'acronyme anglophone LED. Quel est la différence entre une DEL et une diode rectificatrice? Dans le principe de fonctionnement il n'y en a pas, les deux fonctionnent selon le même principe de mécanique quantique. Dans cet article j'explique la similitude et la différence entre ces deux types de diode.

A la jonction de P et N

A la jonction de semi-conducteurs P et N il se passe un phénomène mystérieux décris par la théorie de la mécanique quantique. Lorsque les électrons traversent cette jonction ils tombent dans des trous et émettent à ce moment un photon. Ces trous ne sont pas des "nids de poules" comme on appelle les trous dans l'asphalte au Québec. Pour que vous puissiez comprendre je vais expliquer ce qu'est une jonction bipolaire dans un semi-conducteur.

Commençons par le tableau périodique. Au dessus de chaque colonne il y a un chiffre romain suivit de la lettre A ou B. Ce chiffre romain correspond au nombre d'électrons de valence. Les électrons de valence sont les électron d'un atome qui participe aux liaisons chimiques. Ces électrons sont faiblement liés au noyau de l'atome et peuvent être libérés de l'emprise de celui-ci facilement. Il y a 3 colonnes qui intéressent les ingénieurs qui fabriquent des composants électroniques à base de semi-conducteurs: 13, 14 et 15. Dans la colonne 14 on retrouve le silicium et le germanium. Dans la colonne 13 le gallium et dans la colonne 15 l'arsenic.

Le silicium a 4 électrons de valence et est utilisé pour fabriquer la majorité des composants semi-conducteurs. Le gallium a 3 électrons de valence et l'arsenic en a 5. Si on forme un cristal avec de l'arséniure de gallium GaAs on obtient un semi-conducteur qui a en moyenne 4 électrons de valence. Les diodes rectificatrices sont fabriquées avec du silicium et les LED qui émettent dans le visible avec de l'arséniure de gallium.

Un semi-conducteur de type P est un semi-conducteur dans lequel a été ajouté un élément qui n'a que 3 électrons de valence. Ce qui a pour effet de créé des trous dans le réseau cristallin. C'est à dire qu'il manque des électrons pour assurer les liaisons atomiques. Le bore et l'indium sont souvent utilisés pour ce rôle.

Un semi-conducteur de type N est un semi-conducteur dans lequel a été ajouté un élément qui possède 5 électrons de valence. Dans ce cas on a un réseau cristallin qui a un surplus d'électrons. Le phosphore est souvent utilisé pour ce rôle.

Les semi-conducteurs de type P sont donc des capteurs d'électrons et les type N sont des donneurs d'électrons.

Dans une chambre à vide ou la galette de silicium ou d'arséniure de gallium est installée on bombarde celle-ci avec des atomes d'impureté, mettons des atomes de bore pour créer un semi-conducteur de type P. Ces atomes de bore s'installent dans le réseau cristallin. Ensuite on bombarde la galette avec des atomes de phosphore mais avec moins d'énergie pour qu'ils s'enfoncent moins profondément. On obtient ainsi une jonction bipolaire PN. C'est à dire une diode1.

Lorsqu'on applique une tension électrique positive sur l'anode par rapport à la cathode les électrons traversent la jonction et viennent combler le manque d'électron. Lorsqu'un électron comble l'absence d'un électron dans le réseau cristallin de type P il perd de l'énergie. En terme quantique il passe à un niveau d'énergie inférieur. Comme l'énergie ne se perd pas cette énergie libérée est émise sous forme de photon, c'est à dire de lumière. La longueur d'onde de ce photon ou si vous préférez sa couleur dépend de la différence d'énergie entre les 2 niveaux.

bandes d'énergie

Dans les conducteurs il y a toujours des électrons dans la bande de conduction. Dans cette bande l'énergie des électrons est plus élevée que dans la bande de valence. dans un semi-conducteur les électrons dans la bande de conduction sont plus rare, c'est pourquoi ils conduisent mal l'électricité. C'est lorsqu'un électron passe de la bande de conduction à la bande de valence qu'il libère le surplus d'énergie sous forme de photon. Dans les diodes au silicium l'énergie est plutôt libérée sous forme de phonon. Un phonon est une vibration qui se propage dan le réseau cristallin.

Barrière de potentiel et niveaux d'énergies

Dans la région à la jonction de la zone P et N il y a une zone appauvrie. Une zone ou l'influence du phosphore et du bore s'annule mutuellement. Cette zone forme une barrière qui empêche le courant de circuler à travers la jonction. Il faut que les électrons possèdent une énergie minimale pour franchir cette barrière. Cette valeur correspond au voltage minimum nécessaire pour que la diode conduise. Pour une diode au silicium c'est environ 0,65 volt. Pour les DEL ça dépend du type de DEL, pour les rouges c'est environ 2,1 volt, 2,4 pour les vertes et 3,4 pour les bleues.

La valeur de cette barrière de potentiel est lié à l'énergie nécessaire pour arracher les électrons au réseau cristallin. Pour les faire sortir de leur trou. L'énergie d'un photon est inversement proportionnel à sa longueur d'onde donc une DEL qui émet de photons bleus a une barrière de potentiel plus élevée qu'une DEL qui émet des photons rouges.

photo-sensibilité

On a dit que lorsqu'un électron tombe dans un trou il émet un photon dont l'énergie égale la différence d'énergie que l'électron dans la bande de conduction avait et celle qu'il a une fois coincé dans le réseau cristallin (bande de valence). Cette différence d'énergie s'appelle bande interdite ou band gap en anglais. Bande interdite parce que l'électron ne peut occupé un niveau d'énergie intermédiaire entre ces 2 niveaux. C'est ça la nature quantique de l'univers subatomique.

Si un électron émet un photon lorsqu'il tombe dans un trou le contraire est aussi vrai. Un photon peut déloger un électron de son trou en lui communiquant son énergie. En conséquence toute DEL est photo-sensible. Connectez un voltmètre aux électrodes d'une DEL et exposez celle-ci à la lumière. vous constaterez qu'il y a un voltage aux bornes de la DEL. couvrez la DEL et le voltage disparait. La jonction absorbe les photons et déloge des électrons du réseau cristallin. Il va sans dire que la DEL est particulièrement sensible à la même longueur d'onde qu'elle émet.

Sens unique

Au fait pourquoi une diode ne conduit que dans un sens? C'est simple les trous n'ont pas de mobilité se sont les électrons qui se déplacent dans le réseau. Si on applique le voltage positif sur la cathode les électrons s'éloignent de la jonction plutôt que de la traverser. la zone appauvrie s'élargie au lieu de se rétrécir. Cependant si le voltage est suffisamment élevé les électrons peuvent-être arrachés du réseau dans la partie P de la diode et traverser la jonction. le voltage ou ce phénomène se produit est la tension de claquage ou breakdown voltage en anglais. Lorsque cette tension est atteinte il se produit un phénomène d'avalanche. C'est à dire que les électrons ainsi délogés du réseau cristallin possèdent suffisamment d'énergie pour à leur tour déloger d'autres électrons. Le courant augmente donc rapidement et si le phénomène n'est pas contrôlé il conduit à la destruction de la diode. Les diodes zener utilisent ce principe d'avalanche.

notes

  1. Notez que bien que j'ai indiqué le bore dans le dessin comme impureté pour le côté P de la jonction en ce qui concerne les DEL l'aluminium et l'indium sont plutôt utilisés. Le bore lui est utilisé avec le silicium. Si vous consultez les feuillets de spécifications des DEL vous verrez des compositions du genre InAlGaP, InGaN/GaN ou GaAlAs. In pour indium colonne 13 donc 3 électrons de valence. Al pour Aluminium aussi dans la colonne 13 donc aussi 3 électrons de valence. N pour azote, colonne 15 donc 5 électrons de valence. As pour Arsenic colonne 15. Le choix des éléments dépend du niveau d'énergie entre la bande de conduction et la bande de valence, ce qui détermine la longueur d'onde.

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