LEDはどのように機能するか

LEDはどのように機能するか

LEDの定義

LED（発光ダイオード）とは、電気エネルギーを通じて電気発光という過程で光を放出する半導体デバイスです。

LEDの動作原理

一般的なダイオードと同様に、LEDもフォワードバイアスがかけられたときに動作します。この場合、n型半導体はp型よりも重くドーピングされており、pn接合が形成されます。フォワードバイアスがかけられると、ポテンシャルバリアが減少し、電子と正孔が耗尽層（または活性層）で結合して、光または光子がすべての方向に放出されます。典型的な図では、フォワードバイアスによって電子-正孔対が結合することで光が放出される様子が示されています。

LEDでの光子の放出は、固体のエネルギーバンド理論によって説明され、光の放出は材料のバンドギャップが直接的か間接的かによって決まります。直接バンドギャップを持つ半導体材料は光子を放出します。直接バンドギャップ材料の場合、エネルギーバンド図上の伝導帯の最下部は価電子帯の最上部の直上に位置します。

電子と正孔が再結合すると、エネルギーE = hνは、バンドギャップ△（eV）に対応する形で光エネルギーまたは光子として放出されます。ここでhはプランク定数、νは光の周波数です。

直接バンドギャップ

間接バンドギャップ材料は非放射性であり、その伝導帯の最下部が価電子帯の最上部と一致しないため、大部分のエネルギーが熱に変換されます。例としてはSi、Geなどがあります。

間接バンドギャップ

直接バンドギャップを持つ材料の例としてガリウム砒素化物（GaAs）があり、これはLEDで使用される化合物半導体です。GaAsにドーパント原子を添加することで、幅広い色範囲が出力できます。LEDで使用されるいくつかの材料は以下の通りです：

• アルミニウムガリウム砒素化物（AlGaAs） - 赤外線。

• ガリウム砒素リン化物（GaAsP） - 赤、橙、黄色。

• アルミニウムガリウムリン化物（AlGaP） - 緑。

• インジウムガリウム窒化物（InGaN） - 青、青緑、近紫外。

• 亜鉛セレン化物（ZnSe） - 青。

LEDの物理構造

LEDは、放出された光が材料に再吸収されないように設計されています。そのため、電子-正孔の再結合が表面で行われることが確保されています。

上記の図は、LEDのpn接合を2つの異なる方法で構造化する方法を示しています。p型層は薄く作られ、n型基板上に成長させます。pn接合の両側に取り付けられた金属電極は外部電気接続用のノードとして機能します。発光ダイオードのpn接合は、ドーム状の透明ケースに封入され、光が均一にすべての方向に放出され、内部反射が最小限に抑えられます。

LEDの長い脚は正極またはアノードを表します。

3本以上の脚を持つLEDも存在し、例えば3、4、6ピン構成で同じLEDパッケージ内で複数の色を得ることができます。表面実装型LEDディスプレイは、PCB上に取り付けることができます。

LEDは通常、数十ミリアンペアの電流を必要とし、通常のダイオードと比較して前方電圧降下が1.5〜3.5ボルトであるため、シリーズ抵抗が必要です。

白色LEDまたは白色LEDランプ

LEDランプ、電球、街路灯は、LEDの高い効率（単位入力電力あたりの光出力）により、白熱電球と比較して非常に人気があります。そのため、一般的な照明用途では白色光が好まれます。LEDを使用して白色光を生成するには、以下の2つの方法があります：

三原色RGBを混合して白色光を生成する方法。この方法は高量子効率を持っています。

もう一つの方法は、ある色のLEDに別の色の燐光体をコーティングして白色光を生成する方法です。この方法は、LED電球や照明器具の製造において商業的に人気があります。

LEDの応用

OLED、マイクロLED、量子ドットなどの電子ディスプレイ。

• LED表示器として。

• リモコン。

• 照明。

• 光絶縁器。