Résumé
En 2014, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura ont reçu le prix Nobel de physique pour leur création de diodes émettant de la lumière bleue efficaces, qui ont facilité le développement de sources de lumière blanche brillante et efficace. Au cours des dernières années,Diodes émettrices de lumière (LED) ont de plus en plus pénétré le secteur de l'éclairage domestique et d'autres marchés de masse. Cet article vise à fournir un aperçu de la physique des LED, des principales percées qui ont abouti au prix Nobel 2014 et le potentiel de conservation de l'énergie que les LED peuvent faciliter.
1. Introduction
Les diodes électroluminescentes (LED) font partie intégrante de la vie quotidienne depuis plusieurs décennies, originaires de lampes indicateurs et des télécommandes infrarouges dans les années 1960. Cependant, le prix Nobel de physique a été accordé en 2014 spécifiquement pour les LED bleues, ce qui a finalement permis la production de lumière blanche. Cet article vise à élucider la physique des LED fondamentaux à démontrer leur potentiel en tant qu'émetteurs de lumière supérieurs, en particulier pour les applications d'éclairage. Il fournira également une brève histoire des inventions qui ont contribué aux LED modernes et expliqueront la justification du prix Nobel de physique 2014 décerné à Akasaki, Amano et Nakamura. En fin de compte, j'examinerai si les LED contemporaines entraînent véritablement la conservation de l'énergie, et plus pragmatiquement, s'il est économiquement raisonnable pour les consommateurs individuels d'acheterBulbes LEDpour l'éclairage de la maison.
2. Comment fonctionnent les LED semi-conducteurs?
Cette section fournira un bref aperçu de l'histoire de l'électroluminescence, se concentrant sur l'électroluminescence des semi-conducteurs inorganiques, suivi d'une description de la physique sous-jacente aux LED contemporaines. L'électroluminescence est le phénomène où la lumière est émise lorsqu'un courant électrique passe par une substance. On peut soutenir que les ampoules à incandescence (l'ampoule "Edison") sont électroluminescentes; Cependant, dans ce scénario, l'écoulement actuel chauffe le matériau et l'émission de lumière résulte uniquement de la température élevée du filament. Ainsi, il est plus précis de se référer à l'électroluminescence lorsque le flux de courant facilite directement le mécanisme d'émission de lumière. La documentation initiale de l'électroluminescence a eu lieu en 1907 par HJ Round, employée par la société Marconi. Il a biaisé un échantillon de carbure de silicium (alors appelé carborundum) et a observé la lumière de différentes couleurs selon le placement de l'électrode et la tension appliquée. Il n'a pas compris le phénomène à l'époque. Deux décennies plus tard, Oleg Losev, un jeune technicien russe au Nizhny Novgorod Radio Laboratory, a réalisé des progrès significatifs dans l'observation expérimentale et la compréhension des diodes émettantes en carbure de silicium. Plus précisément, il a soumis un brevet en 1929 englobant la réclamation ultérieure: "L'invention proposée utilise le phénomène établi de la luminescence dans un détecteur de carborundum et implique l'utilisation d'un tel détecteur dans un relais optique pour faciliter la communication télégraphique et téléphone circuit. " Ceci est vraiment remarquable: un travailleur 26- d'un an avec une éducation formelle limitée en physique a breveté le transfert de données à haut débit utilisant la modulation électrique d'une source de lumière semi-conducteurs en 1929. Les publications innovantes et les brevets de Lostv, cependant, sont restés largement observés pendant des décennies. Dans les années 40, une compréhension et un contrôle accrus des semi-conducteurs ont entraîné la création de la première jonction P - N, suivie de l'invention du premier transistor. Les LED initiales utilisant des jonctions P - I - N bien développées pourraient par conséquent être fabriquées et améliorées.
Un semi-conducteur est une substance dont la conductivité peut être modifiée par l'introduction d'impuretés appelées dopants. Les semi-conducteurs inorganiques sont des matériaux cristallins comme le silicium (SI), l'arséniure de gallium (GaAs), le phosphure d'indium (INP) et le nitrure de gallium (GAN), caractérisé par des bandes d'énergie pour les électrons. La bande d'énergie occupée la plus élevée est appelée la bande de valence, qui est remplie d'électrons dans un semi-conducteur non dopé, mais la bande d'énergie supérieure ultérieure, connue sous le nom de bande de conduction, reste entièrement vacante dans un semi-conducteur non pas. La disparité d'énergie entre le minimum de la bande de conduction et le plus élevé de la bande de valence est appelée la bande interdite du semi-conducteur. Le processus d'émission de lumière dans un semi-conducteur est simple: lorsqu'un électron occupe la bande de conduction et qu'il existe un poste vacant dans la bande de valence (appelée trou), l'électron de bande de conduction peut transmettre pour occuper l'état vacant dans la bande de valence, libérant la différence d'énergie (la bande interdite) en tant que photon émis (Fig. 1). L'électron et le trou se recombinent, entraînant l'émission d'un photon. Ce processus se produit dans la majorité des semi-conducteurs, à des exceptions notables appelées semi-conductrices indirectes, telles que le silicium ou le germanium, où l'émission de photons n'est pas directement autorisée, entraînant une inefficacité significative. Pour fabriquer une LED de semi-conducteur, il est essentiel de positionner simultanément les électrons dans la bande de conduction et les trous dans la bande de valence dans le matériau. C'est là que le dopage prend de la signification. Un semi-conducteur intrinsèque fonctionne comme un isolant, car les électrons de la bande de valence restent immobiles en raison de l'absence d'états disponibles pour le mouvement électronique; Néanmoins, les semi-conducteurs peuvent être dopés de deux manières distinctes. Lorsque des impuretés sont incorporées dans le cristal avec un électron supplémentaire par atome, ces électrons excédentaires passent à la bande de conduction. Par exemple, la substitution des atomes de GA par des atomes de Si dans un cristal GaAs entraîne un dopage de type N, caractérisé par la présence d'électrons dans la bande de conduction. Inversement, des impuretés dépourvues d'un électron peuvent être introduites, entraînant un dopage de type P, caractérisé par l'existence de trous dans la bande de valence. Un aspect crucial est que les dopants constituent des atomes minoritaires à l'intérieur de la structure cristalline: un seul atome de dopage parmi un million d'atomes standard peut améliorer considérablement la conductivité électrique. La maîtrise du niveau de dopage est essentielle pour personnaliser les caractéristiques électriques des semi-conducteurs. Cette expertise, qui a commencé dans les années 40 et 1950, a précipité les révolutions en microélectronique et optoélectronique. La configuration fondamentale de l'émission de lumière à partir d'un semi-conducteur implique l'intégration de type N (avec des électrons dans la bande de conduction) et de type p (avec des trous ou l'absence d'électrons, dans la bande de valence). Lorsqu'ils sont soumis à des biais électriques, les électrons et les trous, qui traversent les directions opposées - où un trou de déménagement vers la gauche dans la bande de valence correspond à des électrons à la droite-converge à la jonction PN, entraînant une recombinaison qui émet des photons (Fig. 2). À la compréhension de la communauté de la recherche, l'action requise est devenue évidente: la capacité de synthétiser des cristaux de haute qualité avec un dopage de type P et de type N contrôlé avec précision. Le premier GAAS infrarouge LED a été exposé en 1962, a ensuite réussi par les LED visibles initiales développées par d'autres équipes. N. Holonyak, chercheur de General Electric, a plaidé pour l'alliage GAASP, lui permettant de présenter le laser de diode semi-conducteur visible inaugural. Il est essentiel de reconnaître N. Holonyak, qui, entre autres, a considérablement avancé la compréhension et le contrôle des émetteurs de lumière semi-conducteurs. En 1963, Nick Holonyak a prédit dans Reader's Digest que les LED semi-conducteurs finiraient par remplacer toutes les ampoules pour les applications d'éclairage générales, malgré les LED semi-conducteurs initiaux émettant une lumière très faible et présentant une efficacité de fractions uniquement en raison de la qualité du matériau inférieur. Quels critères a-t-il utilisé pour générer cette prédiction? Holonyak a reconnu que les ampoules à incandescence fonctionnent de manière similaire aux émetteurs du corps noir, produisant une courbe spectrale corrélée avec la température du filament; À mesure que la température augmente, le spectre d'émission se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes. Les ampoules à incandescence les plus efficaces émettent principalement une lumière infrarouge, qui est inefficace pour l'éclairage et fonctionne plutôt comme une source de chaleur. La conversion de l'énergie électrique en puissance optique visible est intrinsèquement limitée à environ 5%. Dans les LED semi-conducteurs, la physique diverge de manière significative: près de 100% de l'énergie électrique peut être transformée en puissance optique, avec une longueur d'onde d'émission bien régulée (notamment, la bande interdite détermine l'énergie et par conséquent la longueur d'onde du photon émis). On peut envisager un appareil équipé de LED qui émettent sur plusieurs longueurs d'onde visibles, chacune présentant une efficacité de conversion élevée (de préférence à l'unité), permettant ainsi l'émission de lumière blanche visible (ou toute combinaison sélectionnée de couleurs visibles) sans pertes thermiques (Fig. 3). Cela devrait, en théorie, une fonction; Le seul défi consiste à atteindre la maturité technologique requise pour fabriquer des LED extrêmement efficaces à certaines longueurs d'onde. Cette entreprise a occupé des chercheurs semi-conducteurs pendant des décennies suivantes et a finalement abouti auPrix Nobel 2014.
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