【半導体工学】発光ダイオード (LED)の仕組み

　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．

発光ダイオード (LED)とは

　発光ダイオード (LED)は，電流を流すと光を放出する半導体素子です．照明用の白色LEDは白熱電球より効率が高く，光に含まれる赤外線や紫外線が少ない特徴があります．ただし，素子自体は発熱するため放熱設計が必要です．また，赤外線や紫外線を発する用途のLEDもあります．

　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，余ったエネルギーを光として放出することで発光します．

　図１に，発光ダイオードが発光する仕組みを示します．

　pn接合に順方向バイアスをかけたとき，p型半導体の正孔とn型半導体の電子は拡散によって接合面にに移動していきます．この電子と正孔が，出会って再結合します．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．

　発光する光の色(エネルギー)は，材料のバンドギャップに依存します．つまり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．ちなみに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．

　補足ですが，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，同じ半導体材料同士の接合です．ヘテロ接合は，異なる半導体材料同士の接合で，必ずしもpn接合とは限りません．LEDでは，バンドギャップの小さい活性層を大きい材料で挟むダブルヘテロ構造を使い，電子と正孔を活性層に閉じ込めて発光効率を高めます．

　量子井戸構造は，バンドギャップの小さい層を大きい材料で挟み，その層を数nm程度まで薄くして，厚さ方向のキャリアのエネルギーが離散的になる構造です．単に異なる材料を挟んだだけのダブルヘテロ構造とは区別します．LEDでは量子井戸を発光する活性層として利用します．

　発光ダイオード (LED)の回路記号を，図３に示します．