Comment fonctionne une LED ?

Bonjour,

Comprendre le fonctionnement d’une LED n’est pas forcément aisé mais l’article publié sur Universalis (consultable en ligne avec votre abonnement BmL) donne une explication succincte, s’appuyant sur un schéma :

«Ce type de lampe est constitué d'un assemblage de diodes électroluminescentes (appelées LED, pour light emitting diode) qui sont des dispositifs électroniques capables d'émettre de la lumière lorsqu'ils sont parcourus par un courant électrique. Ce schéma de principe (échelle non respectée) montre comment est obtenue une lumière blanche. Au centre de la LED, se trouve un minuscule cristal semi-conducteur (sa surface étant de l'ordre du millimètre carré) qui est recouvert d'une couche de luminophore jaune. Dans ce cristal, on distingue deux zones: la première, dite de «type n», qui contient un excès de charges électriques négatives (électrons); la seconde, dite de «type p», qui contient un excès de charges électriques positives (appelées «trous» car correspondant à un déficit d'électrons). Quand un courant électrique continu traverse le cristal, les charges positives et négatives se dirigent à l'interface de ces deux zones, appelée jonction, où elles peuvent se rencontrer. Au niveau de cette jonction, les «trous» d'électrons se combinent avec les électrons et génèrent un photon qui emporte ainsi l'excédent d'énergie. La longueur d'onde du photon émis (qui définit sa couleur) dépend du matériau semi-conducteur utilisé pour l'élaboration du cristal. Dans le cadre des LED utilisées pour l'éclairage domestique, le photon a une longueur d'onde (450nm) qui correspond à la partie bleue du spectre de la lumière. En sortant du cristal, il peut soit être absorbé par le luminophore et réémis dans la partie jaune du spectre, soit sortir directement de la puce sans subir de transformation. Ainsi, les photons jaunes et bleus se combinent pour donner l'impression d'une lumière blanche …»

Le site Futura Sciences résume également le fonctionnement des LED  :

Un semi-conducteur, fabriqué à partir de l'empilement de couches de différents matériaux et d'épaisseurs différentes, constitue ce que nous pourrions appeler le moteur du composant en créant une jonction semi-conductrice. Celui-ci est soudé sur un support qui est à la fois conducteur de courant et de chaleur, puis protégé par une couche de matériau transparent, permettant de laisser passer la lumière émise (souvent un dôme de silicone dans le cas des Led de puissance).

(…)

Cette lumière est relativement monochromatique (sa largeur d'émission en termes de longueur d'onde est étroite, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres), et pour pouvoir émettre de la lumière blanche, une couche de luminophore permet de convertir cette lumière monochromatique en lumière de plus large spectre (voir l'image ci-dessous).

Dans son ouvrage, Les LED pour l'éclairage : fonctionnement et performances, critères de choix et mise en œuvre, Laurent Massol revient sur les procédés des éclairages et explique notamment la technologie LED :

Elle se différencie par le fait que la zone active de l’émission lumineuse est entièrement solide et composée de couches de matériaux dopés différemment. Pour décrire simplement le principe de fonctionnement, partons du principe que nous avons une jonction de type P-N, constituée d’un matériau dopé P dit «accepteur» d’électrons et d’un matériau dopé N dit «donneur d’électrons».

Au niveau de l’interface entre ces deux types de matériaux, les recombinaisons «électrons-trous» sont possibles. C’est la région active du semi-conducteur, encore appelée «zone de déplétion», où sont générés les photons issus de ces recombinaisons.

Suivant la qualité des dopants, les épaisseurs des matériaux et les épaisseurs de certaines zones, les recombinaisons sont plus ou moins énergétiques, et les photons émis sont alors de longueurs d’onde variables. C’est en maîtrisant ces paramètres au moment de la fabrication du semi-conducteur que l’on peut fabriquer différents types de LED, émettant des couleurs différentes.

(…) Aujourd’hui les LED sont en grande partie réalisées suivant une géométrie de type CMS (Composants montés en surface), ou la puce semi-conductrice n’est plus dans un petit réflecteur, mais directement mis sur un substrat (idéalement bon conducteur thermique). C’est le cas pour la plupart des LED de semi-puissance et de puissance (qui consomment entre 0,125 et 1,5W).

Suivant les fabricants et les modèles, ces LED sont coiffées d’une lentille au-dessus du semi-conducteur ayant pour vocation d’extraire un peu plus la lumière émise ou simplement de mettre en forme le faisceau lumineux…»

Le livre présente les différentes LED existantes et montre l’intérêt d’employer une ampoule LED.

L’article d’Universalis, cité antérieurement, s’intéresse lui aussi aux avantages procurés par les ampoules LED qui «émettent leur lumière de façon homogène dans toutes les directions de l’espace et ont des efficacités jusqu’à dix fois supérieures à la lampe à incandescence et une durée de vie de vingt à trente fois supérieure. Quant aux spots à LED, qui produisent une lumière directionnelle, ils sont fortement recommandés pour le remplacement de spots halogènes basse tension. Ils offrent plusieurs fois la durée de vie et l'efficacité énergétique des lampes halogènes pour une qualité de lumière comparable.»

En résumé, «La technologie LED offre un certain nombre d'avantages qui font d’elle un premier choix pour plusieurs applications : grande efficacité, longue durée de vie, bonne capacité de gradation (en utilisant cependant un gradateur bien adapté), allumage instantané, pas d'émission de chaleur, pas de rayonnements ultraviolets. Cependant, les LED sont sensibles à la température. Ainsi, leur efficacité et leur durée de vie sont fortement réduites si elles sont surchauffées».

Par ailleurs, dans un contexte de crise énergétique, les propriétés des LED sont mises en avant.

Dans Le Figaro, en date du 10 octobre 2022, Pascal Grandmaison revient sur les «Dix solutions pour économiser l’électricité et cite notamment l’ampoule LED» :

Connectée ou non, elle bénéficie d'une durée de vie de plus de 15 000 heures tout en consommant jusqu'à 90 % moins qu'un modèle à filament tungstène. Une ampoule LED de 6 W équivaut à peu près à une ampoule à incandescence de 60 W en termes de luminosité, soit 750 lumens. C'est désormais cette valeur qu'il faut rechercher sur les emballages plutôt que les watts.

Comme le révèle Mieux vivre votre argent dans l’article «Budget de la famille» (lundi 29 novembre 2021), toutes ces raisons font que de nombreux foyers ont déjà adopté les lampes LED :

«Outre baisser le chauffage, les Français ont adopté d'autres écogestes. Ainsi, ils sont 65% à avoir remplacé leurs ampoules traditionnelles par des LED».

A ce titre et puisqu’il s’agira prochainement de la Fête des Lumières à Lyon, celle-ci se fera sur un mode basse consommation … selon un mode d’éclairage misant sur des technologies de pointe. Depuis des années, les économies d’énergie sont au cœur des réflexions et dès 2009, Le Figaro en faisait mention dans son article «Une Fête des lumières basse consommation» :

Pour la dixième Fête des lumières, du 5 au 8 décembre, Lyon s'est voulu exemplaire en matière de développement durable et d'économies d'énergie. D'autant que cette édition 2009 coïncide avec la tenue du sommet de Copenhague sur l'environnement. Résultat : soixante-dix sites illuminés pendant quatre soirs (trois fois plus qu'en 1989), mais une consommation d'électricité équivalente à seulement 0,1 % de la consommation annuelle de la ville. Quant aux points d'éclairage permanents, ils sont passés de 42 000 à 67 600 sans faire exploser la note. C'est grâce aux évolutions technologiques (ampoules basse consommation, LED, etc..) que les animations lumineuses et l'éclairage public sont de moins en moins gourmands.

A ce sujet, Sylvain Morvan notait dans Les Echos («La led s’apprête à bouleverser le marché de l’éclairage», 7 décembre 2009) :

Des ampoules entre les écrans plasma et les appareils photo numériques dans les rayons des magasins high-tech ? C'est pour bientôt. L'interdiction progressive en Europe des traditionnelles ampoules à incandescence, trop énergivores, bouleverse le marché de l'éclairage. Parallèlement, la lampe à LED, équipée de semi-conducteurs qui produisent de la lumière au passage d'un courant électrique, se développe à vitesse grand V. Et devient l'objet de toutes les convoitises.

« De nouveaux acteurs arrivent sur le marché de l'éclairage , indique Jean-Pierre Franscechetti, organisateur du premier Forum LED à Lyon, la semaine dernière, avant la célèbre Fête des lumières. Les fabricants de composants électroniques viennent bousculer les fabricants de sources lumineuses. » La LED, qui ne représente pour l'instant que 5 % du marché de l'éclairage professionnel, devrait dépasser les 50 %, toutes applications d'éclairage confondues, d'ici à 2020».

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Bonne journée.