thumb|Diodes de différentes couleurs.|alt= thumb|upright|Symbole de la diode électroluminescente.|alt= Une diode électroluminescente (abrégé en DEL en français, ou LED, de l) est un dispositif opto-électronique fait de matériau semi-conducteur, capable d'émettre de la lumière lorsqu'il est parcouru par un courant électrique. Une diode électroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens et produit un rayonnement monochromatique ou polychromatique non cohérent par conversion d'énergie électrique lorsqu'un courant la traverse.
Les premières LED commercialisées dès les années 1960 ont produit de la lumière infrarouge, rouge, puis verte et jaune.. Leur usage commercial restait limité à des applications de télécommande et d'indications lumineuses. L'arrivée de la LED bleue puis blanche, associée aux progrès techniques et d'assemblage, a permis aux lampes d'émettre dans une bande de longueurs d'onde plus large, correspondant au spectre visible, et même au-delà.. De nombreux appareils sont aujourd'hui munis de LED composites (trois LED réunies en un composant : rouge, vert et bleu) permettant d'afficher de très nombreuses couleurs.
En raison de nombreux avantages, les lampes LED remplacent d'autres types de lampes.. Elles sont aussi utilisées dans la construction des écrans : pour le rétroéclairage des écrans à cristaux liquides ou comme source d'illumination principale dans les écrans à OLED, ces dernières étant des LED où le semi-conducteur est un composé organique.
Histoire La première émission de lumière par un semi-conducteur date de 1907 et est découverte par Henry Round, ingénieur chez Marconi. En 1927, le russe Oleg Lossev dépose le premier brevet de ce qui sera appelé plus tard une diode électroluminescente, mais les applications peinent à émerger, le carbure de silicium alors utilisé comme semi-conducteur ayant de piètres propriétés électroluminescentes.
La découverte de l'émission infrarouge à basse température de l'arséniure de gallium et d'autres semi-conducteurs III-V par Rubin Braunstein en 1955 à la RCA à Princeton permet d'envisager de prometteurs développements.. Nick Holonyak Jr. et créent la première LED rouge en 1962. Durant quelques années, les chercheurs se limitent à quelques couleurs telles que le rouge (1962), le jaune, le vert et plus tard le bleu (1972)...
Dans les années 1990, les recherches, entre autres, de Shuji Nakamura et Takashi Mukai de Nichia, dans la technologie des semi-conducteurs InGaN permettent la création de LED bleues de forte luminosité, ensuite adaptées en LED blanches, par adjonction d'un luminophore jaune.. Cette avancée permet de nouvelles applications majeures telles que l'éclairage et le rétroéclairage des écrans de téléviseurs et des écrans à cristaux liquides. Le , Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano reçoivent le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les LED bleues..
Essor des LED En 2007, Audi et Lexus bénéficient de dérogations de la Commission européenne pour commercialiser des modèles munis de feux avant à LED. En 2009, la Ferrari 458 Italia innove elle aussi avec des phares à LED. En 2020, la majorité des automobiles avec un niveau d'équipement élevé bénéficient de feux de route à LED désormais bien plus performants que les éclairages à lampe à incandescence halogène.
Plusieurs villes remplacent leur éclairage public par des LED dans le but de diminuer leur facture d'électricité et la pollution lumineuse du ciel (éclairage dirigé vers le bas). Le recours aux LED est aussi courant dans les feux tricolores. L'exemple de Grenoble est le plus souvent cité : la ville a réalisé son retour sur investissement en trois ans seulement. En effet, les LED permettent des économies d'énergie, mais ce sont surtout les coûts de maintenance qui baissent, du fait de leur robustesse.
En 2010, la Régie autonome des transports parisiens (RATP) expérimente l'éclairage des espaces du métro parisien, notamment à la station Censier-Daubenton première station de métro entièrement éclairée par cette technologie. En 2012 estimant le produit mature la RATP décide de modifier la totalité de son éclairage vers la technologie LED. ce sont plus de qui seront modifiés, faisant ainsi du métro parisien le premier réseau de transport en commun d'envergure à adopter le « tout LED ».. Le remplacement des éclairages est finalisé en 2016.. Économie Le développement de la technologie des LED suit une loi analogue à la loi de Moore, appelée , du nom de Roland Haitz d'Agilent Technologies, et qui prévoit que les performances des LED doublent tous les trois ans, pour des prix divisés par dix tous les dix ans..
L'intérêt des lampes à LED en matière de consommation électrique, de durée de vie et de sécurité électrique s'est rapidement confirmé pour l'automobile (dans l'habitacle et pour les phares et clignotants, où les LED se montrent plus performantes que les sources xénon ou halogène), l'éclairage urbain, l'éclairage d'infrastructures, les usages dans la marine et l'aéronautique. Cet intérêt a, au début des années 2000, dopé le marché, qui a dépassé en 2010 le seuil des dix milliards de dollars américains (USD), soutenu par une croissance annuelle globale de 13,6 % de 2001 à 2012, et devrait atteindre avant la fin 2015. Dans ce marché, la part de l'éclairage augmente régulièrement de 2008 à 2014 et devrait se stabiliser en 2018, alors que la part du rétro-éclairage devrait décroître dès 2014 en raison d'évolutions techniques.
La part destinée à l'automobile semble dans les années 2010-2015 stable (environ 10 % du marché global) et pourrait le rester jusqu'à 2020B. Chambion, , chapitre I (« État de l’art des LED blanches de puissance pour l’éclairage automobile »), .. Les LED ont d'abord équipé des véhicules de luxe (Audi, Mercedes) puis de moyenne gamme (Seat Léon, Volkswagen Polo en 2014).
En 2016, les principaux fabricants sur ce marché sont Nichia et Toyoda Gosei au Japon, notamment pour les LED GaN de « forte » puissance (plus de ), Philips Lumileds Lighting Company et OSRAM Opto Semiconductors GmbH en Europe, Cree et General Electric aux États-Unis. Samsung Electronics et produisent des LED pour l'automobile.
Mécanisme d'émission La recombinaison d'un électron et d'un trou d'électron dans un semi-conducteur conduit à l'émission d'un photon. En effet, la transition d'un électron entre la bande de conduction et la bande de valence peut se faire avec la conservation du vecteur d'onde . Elle est alors radiative (émissive) c'est-à-dire accompagnée de l'émission d'un photon. Dans une transition émissive, l'énergie du photon créé est donnée par la différence des niveaux d'énergie avant (E) et après (E) la transition :
(eV)
Une diode électroluminescente est une jonction P-N qui doit être polarisée en sens direct lorsqu'on veut émettre de la lumière. Le potentiel imposé aux bornes doit être supérieur à celui imposé par la jonction P-N. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice de la LED est la zone P car c'est la plus radiative..
Techniques de fabrication La longueur d'onde du rayonnement émis dépend de la largeur de la « bande interdite » et donc du matériau utilisé. Toutes les valeurs du spectre lumineux peuvent être atteintes avec les matériaux actuels. L'infrarouge est obtenu grâce à l'arséniure de gallium (GaAs) dopé au silicium (Si) ou au zinc (Zn). Les fabricants proposent de nombreux types de diodes aux propriétés différentes. Les diodes à l'arséniure de gallium sont les plus économiques et les plus utilisées. Les diodes à l'arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) offrent une plus grande puissance de sortie mais nécessitent une tension directe plus élevée et ont une longueur d'onde plus courte (, ce qui correspond au maximum de sensibilité des détecteurs au silicium) ; elles présentent une bonne linéarité jusqu'à . Enfin, les diodes à double hétérojonction (DH) AlGaAs offrent les avantages des deux techniques précédentes (faible tension directe) avec des temps de commutation très courts (durée nécessaire pour qu'un courant croisse de 10 % à 90 % de sa valeur finale ou pour décroître de 90 % à 10 %), permettant des débits de données très élevés dans les transmissions de données numériques par fibres optiques. Les temps de commutation dépendent de la capacité de la jonction dans la diode.
Efficacité lumineuse vignette|Un ours éclairé par des diodes électroluminescentes. L'efficacité lumineuse varie selon le type de diodes, de , et atteint en laboratoire « Delivering up to 200 lumens per watt », Cree (consulté le 28 janvier 2013).. Une grande disparité de performances existe selon la couleur (température de couleur pour le blanc), la puissance ou encore la marque. Les diodes bleues n'excèdent pas alors que les vertes ont une efficacité lumineuse atteignant ..
La limite théorique d'une source qui transformerait intégralement toute l'énergie électrique en lumière visible est de Cette valeur dérive directement de la définition de la candela et, par extension, du lumen., mais il faudrait qu'elle possède un spectre monochromatique de longueur d'onde . L'efficacité lumineuse théorique d'une LED blanche est de l'ordre de Le fabricant Cree a annoncé réaliser en laboratoire : .. Ce chiffre est inférieur à du fait que le maximum de sensibilité de l'œil se situe vers .
L'efficacité lumineuse des LED blanches de dernière génération est supérieure à celle des lampes à incandescence mais aussi à celle des lampes fluocompactes ou encore de certains modèles de lampes à décharge. Le spectre de la lumière émise est presque intégralement contenu dans le domaine du visible (les longueurs d'onde sont comprises entre et ). Contrairement aux lampes à incandescence et aux lampes à décharge, les diodes électroluminescentes n'émettent quasiment pas d'infrarouge, sauf celles fabriquées spécifiquement dans ce but.
L'efficacité lumineuse dépend de la conception de la LED. Pour sortir du dispositif (semi-conducteur puis enveloppe externe en époxy), les photons doivent traverser (sans être absorbés) le semi-conducteur, de la jonction jusqu'à la surface, puis traverser la surface du semi-conducteur sans subir de réflexion et, notamment, ne pas subir la réflexion totale interne qui représente la grosse majorité des cas. Une fois arrivé dans l'enveloppe externe en résine époxy (quelquefois teintée pour des raisons pratiques et non pour des raisons optiques), la lumière traverse les interfaces vers l'air à incidence proche de la normale ainsi que le permet la forme de dôme avec un diamètre bien plus grand que la puce ( au lieu de ). Dans les diodes électroluminescentes de dernière génération, notamment pour l'éclairage, ce dôme plastique fait l'objet d'une attention particulière car les puces sont plutôt millimétriques dans ce cas et le diagramme d'émission doit être de bonne qualité. À l'inverse, pour des gadgets, on trouve des LED quasiment sans dômes.
Effet Auger