Qu'est ce qu'une lampe LED ? 

Une LED c'est une diode électroluminescente, c'est un dispositif opto-électronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique.

Les lumières LED (ou DEL, en français) nous envahissent : bien moins gourmandes en énergie, moins chauffantes et plus colorées, elles ont beaucoup d’avantages.

Mais comment ça marche ?

De façon ancestrale, on a toujours produit de la lumière avec du feu (torche, chandelle, bougie…) et plus généralement avec de la chaleur (lumière solaire, lampe à filament).

Ces dispositifs fonctionnent avec le principe de la loi de Wien (de 1896) : tout objet chauffé émet du rayonnement. Le corps humain à 37°C émet dans l’infrarouge. Une flamme à +/- 1000°C émet dans le rouge-orangé. Un filament de tungstène dans une lampe à incandescence traversé par un courant chauffe à +/- 3000°C et émet de la lumière blanche.

Le principal problème avec une lampe à incandescence, c’est que 95% de l’énergie utilisée par l’ampoule est convertie en chaleur et donc perdue. C’est bien normal puisque c’est la température du filament qui produit la lumière et il faut bien la chauffer avant, même si cette chaleur ne nous intéresse pas.

Avec les lampes LED, c’est différent. Le rayonnement émis n’est plus produit par la température mais par le matériau lui-même. En fait, quand une LED est traversée par un courant, elle ne produit pas de la chaleur mais de la lumière. On passe ainsi d’un rendement lumineux de 5% pour les lampes classiques à un rendement proche des 30 à 50% (le reste étant : un peu de chaleur (effet Joule), de la lumière perdue au sein même de la LED).

Le fonctionnement relève de la physique quantique des semi-conducteurs : Les semi-conducteurs (comme le silicium ou le gallium) sont des matériaux à mi-chemin entre les conducteurs (métaux) et les isolants (plastiques ou verre).

Un matériau est conducteur quand ses électrons peuvent passer dans un état où ils sont capables de se promener au sein du matériau et constituer un courant électrique. On dit que l’électron passe de la bande énergétique de valence à la bande énergétique de conduction. Dans un semi-conducteur, ces deux bandes énergétiques sont proches et dans un isolant ils sont trop éloignés. 

En pratique, l’application d’une tension suffisante (plus grande qu’une tension caractéristique du semi-conducteur et fonction de la distance entre les deux bandes) sur un semi-conducteur permet de faire passer des électrons de la bande de valence à la bande de conduction.

On se retrouve donc avec la configuration suivante :

• la bande de valence a perdu un électron. Elle a donc une place libre, appelé « un trou ».
• la bande de conduction a gagné un électron (qui peut alors conduire le courant).

Problème : cette configuration n’est pas stable et ne reste donc pas comme ça : l’électron fini par retourner dans son trou pour le boucher. Cette recombinaison « électron-trou » se produit tout le temps et des électrons montent sans cesse dans la bande de conduction et d’autres redescendent pour boucher les trous.

Dans une LED, cette recombinaison électron-trou libère un photon, autrement dit de la lumière. La lumière des LED vient de là : de la stabilisation électronique du semi-conducteur par la recombinaison des paires électron-trou.

Ce qu’il y a d’intéressant ici, c’est que selon le matériau semi-conducteur choisi, la distance énergétique (c.à.d la différence d’énergie) entre la bande de valence et la bande de conduction est très précise et sera égale à l’énergie du photon émis lors de la recombinaison et donc de sa couleur.

Il est donc possible de fabriquer des diodes émettant une seule couleur pure : du rouge, du bleu, du vert… Les diodes émettant du blanc n’existent pas : leur technologie repose soit sur la combinaison de 3 semi-conducteurs émettant du rouge, du vert, du bleu et qui apparaissent comme du blanc une fois mélangés (ce que l’on nomme LED COB), soit en utilisant un revêtement coloré qui va absorber une partie de la lumière de la diode pour émettre du blanc : du phosphore. Ce qui donne au « chip » LED la couleur jaune.

Le phosphore étant une produit naturel, sa composition est légèrement variable, ce qui a une influence sur la qualité de la LED (température de couleur).

Une lampe LED est un concentré d’innovation.