Pourquoi une LED a une couleur
Chargement page et sommaire en cours...
L'escalier sans rampe : les niveaux d'énergie
Un escalier sans rampe
Dans un atome, un électron ne peut pas avoir n'importe quelle énergie. Il se tient sur des marchesLe dessin de Niels Bohr (1913) montre des électrons sur des orbites, comme des planètes. L'image est commode mais trop simple : l'électron n'a pas de trajectoire, il occupe un « nuage » autour du noyau. Les marches d'énergie, elles, sont bien réelles et mesurées., jamais entre deux, comme un pied dans un escalier : sur une marche ou sur la suivante, pas à mi-hauteur.Niveaux d'énergie d'un atome et couleur de la lumière émise
Dans un atome, un électron ne peut occuper que certains niveaux d'énergie, comme les marches d'un escalier. En descendant d'une marche, il émet un photon dont l'énergie est exactement la hauteur de la marche, ce qui fixe la couleur. Une lampe à sodium émet ainsi une raie jaune à 589 nm, alors que le soleil donne toutes les couleurs.
- pour monter, l'électron doit recevoir exactement la hauteur d'une marche : un photon, un choc ;
- en redescendant, il rend cette énergie sous forme d'un photon : la hauteur de la marche fixe la couleur.
Vous l'avez déjà vu :
les lampes à sodium de certains tunnels n'émettent presque qu'une couleur, un jaune à 589 nm : sous leur lumière, les couleurs disparaissent, tout paraît jaune et gris. Les feux d'artifice aussi : strontium pour le rouge, baryum pour le vert, cuivre pour le bleu. Chaque atome a son escalier, donc ses couleurs : c'est sa signature, qui permet même de savoir de quoi sont faites les étoiles.
les lampes à sodium de certains tunnels n'émettent presque qu'une couleur, un jaune à 589 nm : sous leur lumière, les couleurs disparaissent, tout paraît jaune et gris. Les feux d'artifice aussi : strontium pour le rouge, baryum pour le vert, cuivre pour le bleu. Chaque atome a son escalier, donc ses couleurs : c'est sa signature, qui permet même de savoir de quoi sont faites les étoiles.
Conducteur, isolant, semi-conducteur : une affaire d'étages
Dans un solide, des milliards d'atomes se serrent : leurs marches se mêlent et forment de larges étages d'énergie, séparés par des vides où aucun électron ne peut se tenir.Bandes d'énergie : conducteur, semi-conducteur, isolant
Dans un solide, les niveaux d'énergie forment des étages, ou bandes. Dans le cuivre, conducteur, le dernier étage est à moitié rempli : les électrons y circulent librement. Dans le silicium, semi-conducteur, un écart de 1,12 électronvolt sépare l'étage plein de l'étage vide : un photon, la chaleur ou une tension peuvent le faire franchir. Dans le verre, isolant, l'écart d'environ 9 eV bloque tout mouvement d'électrons.
- conducteur (cuivre) : le dernier étage n'est qu'à moitié rempli. Les électrons y bougent sans rien payer : c'est la conduction ;
- isolant (verre, plastique) : étage plein, et un vide énorme au-dessus. Personne ne bouge ;
- semi-conducteur (silicium) : un vide modeste, 1,12 eV. Un photon, un peu de chaleur ou une tension suffisent à faire monter des électrons : on peut piloter la conduction. C'est tout le secret de la diode, du transistor et du panneau solaire.
Pourquoi le verre est transparent :
les photons visibles valent 1,7 à 3,1 eV, bien moins que le vide de la silice, environ 9 eV. Aucun électron ne peut les absorber : ils traversent. Le silicium, lui, avale le visible, puisque son vide est plus petit : une plaquette de silicium est grise et opaque.
La fiche « Atomes électrons » (Conseils+, en fin de page) parle de dernière couche saturée : c'est le même constat, vu depuis un atome seul.les photons visibles valent 1,7 à 3,1 eV, bien moins que le vide de la silice, environ 9 eV. Aucun électron ne peut les absorber : ils traversent. Le silicium, lui, avale le visible, puisque son vide est plus petit : une plaquette de silicium est grise et opaque.
Publicité
Envie de 0 pub ? Le Pass dès 9 €
La LED : un escalier taillé sur mesure
Dans une LED, chaque électron qui franchit la jonctionLa frontière entre deux zones de semi-conducteur, l'une riche en électrons (N), l'autre qui en manque (P). Voir le cours Actifs discrets et la fiche « Jonction de diode ». descend une marche, toujours la même, et lâche un photon. En choisissant le matériau, le fabricant choisit la hauteur de la marche, donc la couleur. Cliquer les pastilles :IR
Rouge
Vert
Bleu
Arséniure de gallium : une marche d'environ 1,3 eV. C'est la LED des télécommandes : invisible pour l'œil, mais l'appareil photo d'un téléphone la montre souvent qui clignote.
Phosphure d'aluminium, de gallium et d'indium : une marche d'environ 1,9 eV. Les premières LED rouges datent de 1962 ; elles éclairaient à peine assez pour un voyant.
Nitrure de gallium et d'indium : une marche d'environ 2,3 eV. C'est le vert des feux tricolores à LED.
Nitrure de gallium et d'indium, réglé pour une marche d'environ 2,7 eV. Mise au point au début des années 1990 au Japon, elle a valu le prix Nobel 2014 à Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura : sans elle, pas de LED blanche.
La LED « blanche » est une LED bleue recouverte d'une poudre jaune : une partie du bleu ressort en jaune, et bleu plus jaune donne du blanc.
À retenir : une marche, une couleur. Plus la marche est haute, plus la lumière tire vers le bleu, et plus la LED demande de tension : écran suivant.
Mesurer la marche avec un voltmètre
Pour descendre la marche, chaque électron doit d'abord y être monté : c'est la tension qui le pousse. D'où une règle simple :tension de seuil de la LED (V) ≈ énergie de son photon (eV)
Mesurer la tension de seuil d'une LED
Une alimentation réglable de 0 à 5 volts alimente une LED à travers une résistance de 1 kilohm. Un voltmètre branché aux bornes de la LED indique la tension au moment où elle commence à éclairer : environ 1,8 volt pour une LED rouge, davantage pour une verte, autour de 3 volts pour une bleue.
L'expérience :
- une résistance de 1 kΩ en série, pour protéger la LED ;
- monter la tension doucement, et noter le voltmètre quand la LED commence tout juste à luire ;
- recommencer avec d'autres couleurs.
À essayer :
le test de diodeLe multimètre fait passer un petit courant, environ 1 mA, et affiche la tension aux bornes. Voir le cours Multimètres. d'un multimètre affiche cette tension de seuil, et certaines LED s'allument faiblement pendant la mesure. Une bleue peut afficher « OL » si l'appareil ne pousse pas assez fort.
Avec ce montage, des lycéens retrouvent la constante de Planck à une dizaine de pour cent près.le test de diodeLe multimètre fait passer un petit courant, environ 1 mA, et affiche la tension aux bornes. Voir le cours Multimètres. d'un multimètre affiche cette tension de seuil, et certaines LED s'allument faiblement pendant la mesure. Une bleue peut afficher « OL » si l'appareil ne pousse pas assez fort.
Invité, affichez le quiz :
0
