OPTOELECTRONIQUE

Diode Electroluminescente
Optocoupleur
Diode laser
Led blanche


 

 
 
 

James BIARD
Ingénieur américain
Concepteur des LED IR et optocoupleurs
1961
Photo de gauche

et

Gary PITTMAN
1930 - 2013

 

    James Biard et Gary Pittman qui travaillaient chez Texas Instrument constatent qu'une jonction PN de GaAs (Arséniure de Gallium ) parcourue par un courant émettait un flux lumineux dans l'infrarouge. Ils déposèrent un brevet qui fut accepté en 1962. Texas instrument commença immédiatement la production de LED IR qui apparurent sur le marché en octobre 1962 la SNX100.
     En 1963 James Biard, Gary Pittman, Edward Bonin et Jack Kilby dépose un brevet d'opto-coupleur . Dans un boîtier une diode électroluminescente dirige son rayonnement sur la base un phototransistor. Un courant traversant la diode va, par l'intermédiaire d'un faisceau lumineux rendre passant un transistor. L'isolement galvanique entre les deux circuits est parfait. Ce type de composant est particulièrement précieux dans les installations industrielles en interface entre des capteurs en milieux bruités et l'électronique de commande .

Nicolas HOLONYACK
Physicien américain
né en 1928
Concepteur des LED  à émission dans le spectre visible
1962

Holonyak a été le premier doctorant encadré par John Bardeen.

Chercheur chez General Electric Lighting, en 1962,  il cherche à réaliser une diode laser . Alors que tout le monde travaille avec les matériaux semi conducteurs notamment le GaAs (Arséniure de Gallium) il entreprend de réaliser un monocristal de Phosphure d'arséniure de gallium . Tout ses collègues le prennent pour un fou et n'auraient pas parier un dollar sur sa réussite. Et pourtant il parvient contre toute attente à réaliser des monocristaux de Phosphure d'arséniure de gallium, et, la magie opère il réalise une photo diode qui émet dans le rouge. La lumière émise par une diode électroluminescente est un lumière monochromatique mais contrairement à la diode laser non cohérente, c'est à dire que les photons sont tous identiques, ils correspondent tous à la même saute d'énergie mais il ne sont pas synchrones.
 La diode d'Holonyak est une étape fondamentale dans le domaine de l'éclairage. Rarement une invention prendra autant d'ampleur , elle est partout la petite LED rouge

Herbert KROEMER
né en 1928
Physicien Allemagne de l'Est
co-inventeur de la diode Laser

Inventeurs de la diode laser

Ces deux physiciens, Nicolas Kroemer et Jaurès Alferov se sont partagés un demi prix Nobel en 2000, l'autre demi prix a été attribué à Jack Kiby pour l'invention du circuit intégré.

Kroemer et Alverov ont travaillé sans se connaître sur les hétérostructures dans les semi-conducteurs ce qui les a amenés à fonder le principe des diodes laser. Alverov a lui même réaliser la première diode laser

Principe du laser:
Lorsqu'un électron passe d'un état excité (niveau d'énergie haut) à un état de repos (niveau d'énergie bas) l'énergie perdue se retrouve dans un photon E= hf  où E la perte d'énergie , h la constante de Planck et   f  la fréquence du photon.
    Si on excite un barreau de Rubis ou de Yag (cristal d'Ytrium et d'aluminium ) à l'aide d'une lampe flash, de nombreux électrons vont passer à l'état excité, et en retombant naturellement à l'état de repos ils vont émettre un photon dans toutes les directions. C'est ce qu'on appelle la fluorescence.
    Si nous plaçons ce cristal dans un interféromètre de Fabry Perrot c'est à dire deux miroirs parfaitement parallèles dont l'un est partiellement réfléchissant , les photons qui sont émis dans la direction d'un miroir vont osciller d'un miroir à l'autre.
    Le passage d'un photon au voisinage électrons excité va déclencher la retombée de  cet électron à l'état de repos. Il s'en suivra l'émission d'un photon qui sera identique au photon déclencheur: en longueur d'onde, phase et direction. Si le nombre d'électrons excités est supérieur au nombre d'électron au repos , on dit qu'il y a inversion de population, il y aura amplification  et production d'un faisceau de lumière ( pas forcément visible) cohérente traversant partiellement le miroir semi réfléchissant.

Dans la diode laser réalisée en 1970

 

http://www.optique-ingenieur.org/fr/cours/OPI_fr_M05_C04/co/Contenu.html

Jaurès ALFEROV
né en 1930
Physicien Bélarus
co-inventeur de la diode Laser
et réalisateur de la 1ère diode laser

1ère réalisation 1970

  Shuji NAKAMURA
Physicien japonais
né en 1954
 

Inventeur de la LED bleue
1993

 Shuji Nakamura a obtenu son doctorat en Génie Electrique à l'université de Tokushima au Japon, puis a rejoint Nichia Chemical Industries Ltd en 1979. En 1989 il a commencé la recherche en vue d'obtenir des LEDs bleues en partant de Nitrure de Gallium (GaN). Cependant la difficulté résidait dans la possibilité de réaliser un fort dopage P de ce matériau.
Il parvint à obtenir ce qu'il cherchait en dopant le GaN à l'aide de Manganèse (Mg) dans une atmosphère absente d'hydrogène en 1993. Il a également produit des films de Nitrure de Gallium Indium (IGaN) permettant d'obtenir des bleus lumineux. Il est à l'origine de la LED blanche qui va bouleverser l'éclairage moderne.
Il parvint à réaliser également des LEDs vertes et des diodes laser bleues.
Certains document n'hésitent pas à qualifier cette découverte de "la plus importante dans le domaine des semi-conducteur depuis 30 ans".
Shuji Nakamura s'est vu attribuer le prix Nobel de Physique avec Isamu Akasaki et Hiroshi Amana

 

Le problème de la LED blanche.
A priori la LED blanche est impossible puisque la lumière blanche ne correspond pas à une fréquence, c'est un mélange des trois couleurs fondamentales rouge, vert, bleu (RVB). Des LEDs blanches ont été conçues sur le principe de l'addition des couleurs lorsqu'on a su fabriquer des LEDs bleues et vertes. Trois LEDs différentes réunies dans un seul boîtier faisant converger leur lumière vers une optique de sortie. Grosse difficulté de fabrication, trois couleurs différentes imposent trois matériaux différents ce qui entraîne un coup de revient élevé.

Cependant on voit que la zone d'émission se situe de 4500 à  6500 Å si on se réfère au spectre du corps noir, on voit qu'il n'y a pas émission d'infrarouges donc pas de production de chaleur ou très peu (effet Joule)
Ci dessous : Génération de lumière blanche à l'aide de trois sources Rouge, Verte, Bleue

 

Une nouvelle technologie est apparue depuis l'invention de Shuji Nakamura  qui semble être prometteuse. La base est une LED bleue qui émet son rayonnement vers une couche de matériaux phosphorescent partiellement transparent. Le matériaux phosphorescent absorbe une fraction de la lumière bleue émise par la diode et émet une lumière jaune qui combinée avec la bleue donne une lumière pratiquement blanche.

Figure extraite d'un rapport de Mr Laurent Massol - Ingénieur chez LED ENGINEERING DEVELOPMENT
Les rapports de Monsieur Massol peuvent être trouvés su le site
www.led-development.fr

Des améliorations ont été apportées en plaçant la diode dans un réflecteur diffusant répartissant mieux les photons émis par la diode vers la couche de phosphore. La "LED blanche" émet une lumière directionnelle bien adaptée à une utilisation de type spot, projecteur, éclairage publique. Pour réaliser une ampoule éclairant dans tout l'espace c'est plus difficile mais des études sont en cours. De même d'autres procédés de fabrication de lumière blanche sont également à l'étude.

La LED blanche actuellement a un rendement de 4 à 10% et fournit 26 à 70 lm/W on prévoit d'obtenir un rendement de 22% et jusqu'à 150 lm/W


Aux USA, une étude prévoit que de 2010 à 2030, tout les éclairages vont être effectués à l'aide de LED . Les économies ainsi réalisées devraient s'élever à 2 700 TWH soit  250 Milliards de dollars.
Numéro de la Fiche 115
Dernière mise à jour 11-03-2014