【半導体工学】発光ダイオード (LED)の仕組み

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工学

発光ダイオード (LED)は光を放出するダイオードです.本記事では発光ダイオードの仕組みを解説していきます.

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発光ダイオード (LED)とは

発光ダイオード (LED)は光を放出するダイオードです.発光ダイオードは高い発光効率,熱の放出が少ない,赤外線・紫外線の放出が少ない,省エネ,長寿命といった特徴があります.照明やディスプレイ,車のランプといった様々な光を発するデバイスで使われます.

仕組み

発光ダイオードの発光する仕組みを説明していきます.まず簡単に説明すると,発光ダイオードはpn接合において電子と正孔が再結合する際に光を放出することで発光します.

より詳しく説明します.pn接合において順方向バイアスをかけた場合,図1のように電子はp型半導体に,正孔はn型半導体に移動します.この電子と正孔が再結合する際に余ったエネルギーが光を放出することで発光ダイオードは発光します.

この発光する光のエネルギーは材料のバンドギャップに依存します.光の色は光の波長 (エネルギー)によって決まるため,発光する色は材料のバンドギャップに依存します.よって発光ダイオードの発光する色は材料によって異なります.また発光ダイオードの材料はより発光効率が良い直接遷移型半導体が使われます.

図1 発光ダイオード (LED)

ダブルヘテロ接合

発光ダイオードの材料が単体か複数かによって性質が異なってきます.ホモ接合は単体の半導体のみのpn接合です.ヘテロ接合は異なる半導体のpn接合で,発光効率が高くなります.ダブルヘテロ接合はpn接合においてn型とp型の間に異なる半導体の層を設けたpn接合で,発光効率が高くなります.

量子井戸構造

量子井戸構造は図2のようにpn接合の間により小さいバンドギャップの半導体の層を設けたダブルヘテロ接合です.この層が量子井戸となり,井戸のような電位障壁にキャリアが捕まることで再結合が促進されるため発光効率が向上します.また挟まれた半導体を活性層,挟む半導体をクラッド層といいます.

図2 量子井戸構造

回路記号

発光ダイオード (LED)の回路記号は図3のようになります.

図3 発光ダイオードの回路記号

まとめ

  • 発光ダイオード:光を放出するダイオード
  • ダブルヘテロ接合:n型とp型の間に異なる半導体の層を設けたpn接合
  • 量子井戸構造:pn接合の間により小さいバンドギャップの半導体の層 (量子井戸の層)によって発光効率が高くなる構造

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