LEDとは何か
LEDとは何か
LEDの定義
LED（発光ダイオード）は、電流が流れると光を放出する半導体デバイスです。古いLED技術では、ガリウム砒素燐化物（GaAsP）、ガリウム燐化物（GaP）、アルミニウムガリウム砒素化物（AlGaAs）が使用されていました。LEDは、直列電流がドープされた結晶のPN接合部を通過したときに起こる電気発光効果によって可視光を生成します。
ドーピングは、周期表の第III族と第V族の元素を添加することを指します。順方向バイアス電流（IF）でエネルギーを与えられたとき、p-n接合部はアクティブ領域のエネルギーギャップ（Eg）に応じた波長の光を放出します。
発光ダイオード（LED）の動作原理
ダイオードのp-n接合部に順方向バイアス電流IFが加えられると、少数キャリア電子がp領域に注入され、対応する少数キャリア電子がn領域に注入されます。p領域での電子-正孔再結合によりフォトン放出が起こります。
エネルギーギャップを越える電子エネルギー遷移、すなわち放射的再結合によりフォトン（つまり光）が生成され、シャントエネルギー遷移、すなわち非放射的再結合によりフォノン（つまり熱）が生成されます。典型的なAlInGaP LEDとInGaN LEDの異なるピーク波長に対する明るさ効率は以下の表に示されています。
LEDの効率は、接合部で生成された光と、光が結晶から出る際に再吸収による損失によって影響を受けます。ほとんどの半導体の屈折率が高いため、多くの光が結晶に戻り反射し、その強度が低下してしまいます。この最終的な測定可能な可視エネルギーを基準とした効率を外部効率と呼びます。
電気発光現象は1923年に自然発生する接合部で観察されました。しかし、当時は電気エネルギーを光に変換する際の明るさ効率が低いため実用的ではありませんでした。しかし、現在では効率が大幅に向上し、LEDは信号、表示器、看板、ディスプレイだけでなく、室内照明や道路照明にも使用されています。
LEDの色
LEDデバイスの色は、主波長λd（nm単位）で表現されます。AlInGaP LEDは赤（626〜630 nm）、赤橙（615〜621 nm）、橙（605 nm）、アンバー（590〜592 nm）の色を生成します。InGaN LEDは緑（525 nm）、青緑（498〜505 nm）、青（470 nm）の色を生成します。AlInGaP LEDの色と順方向電圧は、LEDのp-n接合部の温度に依存します。
LEDのp-n接合部の温度が上昇すると、明るさが低下し、主波長が長い波長側にシフトし、順方向電圧が低下します。InGaN LEDの明るさは動作環境温度に対して小さな変動（約10%）しかありません（−20°Cから80°C）。しかし、InGaN LEDの主波長はLED駆動電流に応じて変動します。LED駆動電流が増加すると、主波長は短い波長側に移動します。
電子工作プロジェクトで色付きLEDを使用したい場合は、さまざまな色のLEDを含むArduinoスターターキットが最適です。
調光
LEDは、駆動電流を減らすことにより、定格光出力の10%まで調光できます。LEDは通常、パルス幅変調（PWM）技術を使用して調光されます。
信頼性
最大接合部温度（TJMAX）は、LEDの寿命にとって重要です。この温度を超えると通常、封止されたデバイスが損傷します。LEDの寿命は、平均故障間隔時間（MTBF）で測定されます。これは、標準電流と温度で多数のLEDをテストし、半数が故障するまでの時間を計算することで求められます。
白色LED
白色LEDは現在、2つの方法で製造されています：1つ目の方法では、赤、緑、青のLEDチップを同じパッケージに組み合わせて白色光を生成します；2つ目の方法では、蛍光物質を使用します。InGaN LEDデバイスからの短波長エネルギーによって、エポキシに封入された蛍光物質が活性化されます。
明るさ効率
LEDの明るさ効率は、消費される電力（W）あたりの発光束（lm）で定義されます。青色LEDの内部効率は約75 lm/W、赤色LEDは約155 lm/W、アンバーレッドLEDは約500 lm/Wです。内部再吸収による損失を考慮に入れると、アンバーや緑色LEDの明るさ効率は約20〜25 lm/Wとなります。この効率の定義は外部効率と呼ばれ、他の光源タイプで一般的に使用される効率の定義と類似しています。
