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LED vs diode laser : principe d’émission, propriétés de la lumière, usages

La LED et le laser à semi-conducteur émettent tous deux de la lumière lorsqu’un courant direct traverse une jonction PN et que des électrons et des trous se recombinent. La lumière d’une LED provient de l’émission spontanée : son spectre est large et elle se répand dans toutes les directions. Le laser à semi-conducteur possède une cavité dans laquelle la lumière fait des allers-retours et l’amplifie par émission stimulée : on obtient une lumière intense, rectiligne, de longueur d’onde et de phase cohérentes. On utilise la LED pour l’éclairage et l’affichage, le laser pour les communications optiques, les disques optiques et la détection.

CritèreLEDLaser à semi-conducteur
Principe d’émissionÉmission spontanée : électrons et trous se recombinent chacun à un instant aléatoire et émettent de la lumièreÉmission stimulée : la lumière engendre d’autres photons de même longueur d’onde, même phase et même direction, et se trouve amplifiée
Cavité optiqueAucuneOui. La lumière fait des allers-retours entre des facettes clivées (laser à émission par la tranche) ou des miroirs multicouches (VCSEL)
Largeur spectraleLarge (de l’ordre de quelques dizaines de nm)Étroite (1 nm ou moins possible ; le laser DFB oscille sur une seule longueur d’onde)
Divergence du faisceauGrand angle d’émissionFaible : le faisceau peut être finement focalisé ou porté loin
Cohérence de phaseFaibleÉlevée
Courant et puissance optiqueS’allume dès qu’un courant circule ; la luminosité est presque proportionnelle au courantL’oscillation démarre au-delà du courant de seuil et la puissance optique augmente brusquement. Sous le seuil, seule une faible émission spontanée
Vitesse de modulationRelativement lenteRapide. Pour les communications optiques, certains modèles sont modulés directement par le courant et transmettent des signaux de plusieurs dizaines de Gb/s
Effet de la températureLe rendement lumineux baisse quand la température monteQuand la température monte, le courant de seuil augmente et la longueur d’onde se décale : on utilise parfois une régulation de température
Facilité d’emploiCircuit de pilotage simple, longue durée de vieNécessite souvent une régulation pour maintenir la puissance optique constante. Une lumière intense étant dangereuse pour les yeux, il existe des normes de sécurité laser (classes)
Usages principauxÉclairage, rétroéclairage d’écrans, voyants, télécommandesCommunications par fibre optique, disques optiques, imprimantes laser, LiDAR, capteurs de reconnaissance faciale, usinage laser

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

LED
Pour éclairer une large zone ou pour l’affichage. Peu coûteuse, durable et simple à piloter.
Laser à semi-conducteur
Pour concentrer la lumière en un faisceau fin et l’envoyer loin, pour la moduler rapidement afin de transmettre de l’information, ou quand une lumière de longueur d’onde bien définie est nécessaire : communications optiques, mesure de distance, usinage, etc.
Points communs
Dans les deux cas, la couleur (longueur d’onde) de la lumière émise est fixée principalement par la bande interdite du semi-conducteur de la couche active. On utilise des semi-conducteurs composés à gap direct à haut rendement d’émission, à base de GaN, de GaAs ou d’InP par exemple ; le silicium, à gap indirect, convient mal aux composants émetteurs de lumière.

Questions fréquentes

En quoi la lumière d’une LED diffère-t-elle de celle d’un laser ?

La lumière laser a une longueur d’onde et une phase cohérentes, se propage en ligne droite et diverge peu, alors que celle d’une LED a un spectre large et se répand dans toutes les directions. En effet, la LED émet par émission spontanée, tandis que le laser émet par émission stimulée dans une cavité.

Qu’est-ce que le courant de seuil d’un laser à semi-conducteur ?

C’est le courant à partir duquel l’effet laser démarre. L’oscillation se produit quand l’amplification de la lumière par émission stimulée dans la cavité dépasse les pertes ; au-delà, la puissance optique augmente brusquement avec le courant. En dessous du seuil, seule une faible émission spontanée, comme celle d’une LED, est produite.

Qu’est-ce qui détermine la couleur d’une LED ?

Principalement la bande interdite du semi-conducteur de la couche active, selon la relation longueur d’onde λ (nm) ≈ 1240 / Eg (eV). On utilise par exemple l’InGaN pour le bleu et le vert, et l’AlGaInP pour le rouge. La plupart des LED blanches convertissent une partie de la lumière d’une LED bleue en jaune, entre autres, à l’aide d’un luminophore, et mélangent les deux.

Pourquoi est-il difficile de faire des LED ou des lasers en silicium ?

Parce que le silicium est un semi-conducteur à gap indirect : pour que la recombinaison d’un électron et d’un trou émette de la lumière, un phonon (vibration du réseau) doit aussi intervenir, et le rendement d’émission est extrêmement faible. En photonique sur silicium, on associe donc des lasers en semi-conducteurs composés comme l’InP.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la différence entre un laser à semi-conducteur et une LED ?

  1. ALa LED a une largeur spectrale plus étroite et une meilleure monochromaticité
  2. BLe laser à semi-conducteur émet, par émission stimulée et cavité optique, une lumière très directive de longueur d'onde et de phase uniformes
  3. CLe laser à semi-conducteur émet sans courant
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Réponse : B. Le laser à semi-conducteur émet, par émission stimulée et cavité optique, une lumière très directive de longueur d'onde et de phase uniformes

La LED émet par émission spontanée, avec une largeur spectrale de quelques dizaines de nm, dans toutes les directions. Le laser à semi-conducteur provoque l'émission stimulée en faisant circuler un courant supérieur au seuil dans une cavité optique formée par exemple par des faces clivées, et émet une lumière très directive, de longueur d'onde et de phase uniformes, à spectre étroit (jusqu'à moins de 1 nm). Il sert aux télécommunications optiques, aux disques optiques, aux imprimantes laser, au LiDAR, à l'usinage, etc.

Quel est le principal facteur déterminant la couleur d'émission (longueur d'onde) d'une LED ?

  1. ALa forme du boîtier
  2. BLe sens du courant de commande
  3. CLa bande interdite du semi-conducteur de la couche émettrice
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Réponse : C. La bande interdite du semi-conducteur de la couche émettrice

Dans une LED, la recombinaison d'électrons et de trous émet une lumière d'énergie correspondant à la bande interdite. La longueur d'onde vaut λ(nm) ≈ 1240/Eg(eV) : par exemple, les matériaux à base de GaN (InGaN), à environ 2,7 eV, émettent dans le bleu vers 460 nm, et l'AlGaInP, à environ 1,9 eV, dans le rouge vers 650 nm. Modifier la composition de la couche émettrice ajuste la bande interdite ; l'InGaN enrichi en In émet dans le vert. Les LED blanches combinent une LED bleue et un luminophore jaune.

Quel mécanisme d'émission de lumière d'une LED est correct ?

  1. ALes électrons et les trous injectés en polarisation directe émettent de la lumière en se recombinant
  2. BLe courant de claquage inverse l'échauffe et elle émet par rayonnement thermique
  3. CUn courant circule lorsqu'elle reçoit de la lumière
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Réponse : A. Les électrons et les trous injectés en polarisation directe émettent de la lumière en se recombinant

Sous tension directe, des électrons venant du côté n et des trous venant du côté p sont injectés dans la jonction, et leur recombinaison libère sous forme de lumière une énergie correspondant à la bande interdite. La couleur dépend du matériau : AlGaInP pour le rouge, InGaN pour le bleu et le vert. Une LED blanche associe une LED bleue à un luminophore jaune. Une émission efficace exige un matériau à gap direct ; le silicium ne permet pas de réaliser des LED utilisables.

  1. Quel laser à semi-conducteur intègre un réseau de diffraction pour osciller de façon stable sur une seule longueur d'onde dans les télécommunications optiques ?
  2. Pourquoi la probabilité qu'un électron et un trou se recombinent en émettant de la lumière est-elle faible dans un semi-conducteur à gap indirect comme le silicium ?
  3. Quelle valeur est la plus proche de l'énergie d'un photon de longueur d'onde 620 nm ? (E [eV] ≈ 1240 / λ [nm])

Questions d'entraînement sur Capteurs d'images et composants optiques

Termes clés expliqués

Polarisation directe
Application d'une tension positive côté p et négative côté n. La barrière s'abaisse et le courant passe facilement. Dans le sens inverse (polarisation inverse), le courant est quasi nul.
Gap direct
Structure de bandes où le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence se situent au même vecteur d'onde. La recombinaison électron-trou émet efficacement de la lumière. Exemple : GaAs.
Bande interdite (bandgap)
Différence d'énergie entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction. Environ 1,12 eV pour le silicium à température ambiante. Plus elle est grande, meilleure est la tenue aux hautes températures et aux hautes tensions.
Puits quantique
Structure où une fine couche de quelques nm à faible bande interdite est prise en sandwich entre des couches à large bande interdite. Elle confine les porteurs et favorise la recombinaison ; utilisée comme couche active des LED et des lasers.
VCSEL (laser à cavité verticale émettant par la surface)
Laser à semi-conducteur émettant perpendiculairement au substrat. Testable sur plaquette et facile à disposer en matrice 2D, il sert de source pour les communications de données et la reconnaissance faciale.

Comparatifs associés