
1. LEDの基本原理
1.1 LEDとは何か
発光ダイオード(LED: Light Emitting Diode)は、半導体のp-n接合に順電圧を加えた際、自由電子と正孔(ホール)が再結合することで発光する素子である。LEDは以下のような特性を持つ。
- 高い電気-光エネルギー変換効率
- 長寿命(約5万時間)
- 高輝度
- 高いON/OFF応答性
- 低消費電力
- ナノ秒単位での高速スイッチングが可能
- 環境負荷が少ない
特に、環境負荷が少なく高効率である点から、白熱電球や蛍光灯に代わる次世代の光源として注目されている。
1.2 LEDの発光メカニズム
LEDはp型半導体とn型半導体の接合部であるp-n接合を利用して光を発生させる。
- 順電圧を加えない状態
- 自由電子(n型)と正孔(p型)はそれぞれの領域にとどまる。
- フェルミレベル(Eₓ)は異なる状態にあり、電子は拡散せず発光は起こらない。
- 順電圧を加えた状態
- 接合部の障壁(拡散電位Vₓ)が低下し、電子がp型側へ、正孔がn型側へ拡散する。
- 接合部で自由電子と正孔が再結合すると、その余剰エネルギーが光として放出される。
- これがLEDの基本的な発光原理である。
2. LEDの材料と特性
2.1 直接遷移型半導体と間接遷移型半導体
LEDには直接遷移型半導体と間接遷移型半導体がある。
- 直接遷移型半導体(高発光効率)
- 電子が価電子帯の正孔と再結合する際に、運動量の変化が不要であり、高い発光効率を持つ。
- 例: GaAs, GaN, InP, AlN など
- 間接遷移型半導体(低発光効率)
- 電子が価電子帯の正孔と再結合する際に、運動量の変化が必要なため発光効率が低い。
- 例: Si(ダイヤモンド構造), SiC, GaP など
LEDの発光には高効率な直接遷移型半導体が用いられる。
2.2 バンドギャップと発光波長
LEDの発光波長(λ)は、**半導体の禁制帯幅(E₉: バンドギャップエネルギー)**によって決まる。

(h: プランク定数, c: 光速, λ: 波長)
- GaAs(1.42 eV)→ 赤外線
- AlGaAs(1.9 eV)→ 赤色
- GaN(3.4 eV)→ 紫外線
- InGaN(可視領域の光:365 nm - 1.9 μm)
このように、使用する半導体材料によってLEDの発光色が決まる。
3. LEDの構造と発光効率
3.1 LEDの構造
LEDのp-n接合には主に以下の3つの構造がある。
- ホモ接合型
- p型とn型が同じ半導体材料で構成される。
- 例: GaAs LED
- ダブルヘテロ接合(DH)
- 異なる禁制帯幅を持つ半導体を利用し、発光効率を向上させる。
- 例: AlGaAs/GaAs LED
- 量子井戸構造
- バンドギャップの小さい層に電子や正孔を閉じ込めることで、高効率な発光を実現。
- 例: GaN/InGaN LED
3.2 LEDの発光効率
LEDの発光効率を示す指標として、**外部量子効率(ηₑₓₜ)**が用いられる。

(P: LEDの光パワー, I: LEDに流れる電流, Vₑ: 素子電圧)
LEDの発光効率は半導体材料の禁制帯幅に依存し、特定の組成に調整することで高効率化が可能である。
4. 最新のLED技術と応用
高効率LED技術
- 深紫外LED(波長250 nm): AlGaN系材料を用いた次世代消毒・殺菌用LED
- 青色LED(波長444 nm): GaN/InGaN系で開発され、約85%の外部量子効率を達成
- 白色LED: 青色LED+蛍光体の組み合わせによる発光

↓おすすめの本・グッズ
リンク
リンク
リンク
リンク