Les diodes électroluminescentes (DEL) ne sont pas constituées de silicium ou de germanium, qui sont couramment utilisés dans les dispositifs à semi-conducteurs, car la nature de la bande interdite directe de matériaux tels que l’arséniure de gallium (GaAs), le phosphure de gallium (GaP) ou d’autres semi-conducteurs composés est plus adaptée. pour une émission de lumière efficace. Voici une explication détaillée :
1. Considérations sur la bande interdite :
- Silicium et germanium : le silicium et le germanium sont des semi-conducteurs à bande interdite indirecte. Dans un matériau à bande interdite indirecte, les règles de conservation de la quantité de mouvement lors des transitions électroniques rendent la recombinaison radiative moins probable. Cela entraîne une émission de lumière inefficace et rend ces matériaux moins adaptés aux applications LED.
- Semi-conducteurs composés : les semi-conducteurs composés comme GaAs et GaP ont des bandes interdites directes, ce qui signifie que les règles de conservation de l’impulsion favorisent la recombinaison radiative. Cette propriété permet une conversion plus efficace de l’énergie électrique en lumière, ce qui les rend idéales pour les applications LED.
2. Écart énergétique et longueur d’onde :
- Silicium et germanium : le silicium a une bande interdite indirecte d’environ 1,1 eV, tandis que le germanium a une bande interdite indirecte d’environ 0,66 eV. L’écart énergétique pour une émission efficace de lumière visible est généralement plus élevé, et la longueur d’onde de la lumière émise par le silicium ou le germanium sous excitation électrique se situe dans la plage infrarouge.
- Semi-conducteurs composés : les semi-conducteurs composés à base de gallium ont des bandes interdites dans la plage adaptée à l’émission de lumière visible. Par exemple, GaAs a une bande interdite d’environ 1,4 eV, ce qui lui permet d’émettre de la lumière dans la gamme rouge et proche infrarouge. En incorporant différents matériaux et alliages, il est possible d’obtenir des LED avec différentes longueurs d’onde d’émission.
3. Efficacité et luminosité :
- Silicium et germanium : la faible probabilité de recombinaison radiative dans les matériaux à bande interdite indirecte entraîne une diminution de l’efficacité et de la luminosité des LED. Le silicium et le germanium sont plus couramment utilisés en électronique comme semi-conducteurs pour les transistors et autres dispositifs, où l’émission de lumière n’est pas une considération primordiale.
- Semi-conducteurs composés : les semi-conducteurs composés offrent une efficacité et une luminosité plus élevées, ce qui les rend bien adaptés aux applications LED. Ils sont largement utilisés dans diverses couleurs et applications, de l’éclairage aux technologies d’affichage.
4. Compatibilité des matériaux :
- Silicium : le silicium est le matériau dominant dans l’industrie des semi-conducteurs en raison de son abondance et de ses techniques de traitement bien établies. Cependant, pour les LED, où une émission lumineuse efficace est cruciale, d’autres matériaux sont préférés.
- Composés à base de gallium : les semi-conducteurs composés à base de gallium offrent un bon compromis entre les propriétés des matériaux, les capacités de traitement et l’émission de lumière efficace, ce qui les rend adaptés à la fabrication de LED.
5. Plage de longueurs d’onde :
- Silicium et germanium : le silicium et le germanium sont couramment utilisés pour les composants électroniques, et leurs propriétés optiques sont exploitées dans les photodétecteurs et les cellules solaires. Cependant, leur nature de bande interdite indirecte limite leur adéquation aux applications LED ciblant la plage de la lumière visible.
- Semi-conducteurs composés : les semi-conducteurs composés sont conçus pour couvrir une large gamme de longueurs d’onde, permettant la production de LED couvrant l’ensemble du spectre visible.
En conclusion, le choix des matériaux dans la fabrication des LED est guidé par la nécessité d’une émission lumineuse efficace dans le spectre visible. Alors que le silicium et le germanium sont précieux pour les applications électroniques, les semi-conducteurs composés tels que les matériaux à base de gallium sont préférés pour les LED en raison de leur nature de bande interdite directe et de leur compatibilité avec l’obtention d’une émission efficace de lumière visible.
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