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<<   作成日時 : 2005/10/22 12:08   >>

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 前回、ようやくpn接合にたどり着きました。今回はこれに電流を流して発光させる話をします。

 まずpn接合に電池(直流の電源)をつなぐとどうなるか考えてみます。前回の図をもう一度示します(図A)。前回は何も断りませんでしたが、この図は実は電圧がゼロの場合を示しています。pn接合のp型半導体側とn型半導体側にそれぞれ電極を付けてそこにリード線をつなぎ、両方の電極を線でつないでしまうとp型、n型間にかかる電圧はゼロになります。このときのエネルギバンド図が実は図Aのようになるのです。

 つぎにp型半導体側に電池のマイナス極を、n型半導体側にプラス極をつないでみます。エネルギーバンド図はどうなるかというと、図Bのようになります。バリアはさらに高くなり、電子と正孔はこれを越えて流れることは難しくなります。つまりこのような方向に電池をつないでも電流はほとんど流れません。

 では電池を反対につないだらどうでしょう。p型半導体側に電池のプラス極を、n型半導体側にマイナス極をつなぎます。エネルギーバンド図はどうなるかというと、図Cのようになります。バリアは低くくなり、電子はp型半導体側に流れ易くなり、正孔は逆にn型半導体側に流れ易くなります。電圧がゼロのときとちがって、電子はどんどん電源から供給されますから、pn接合を通して電流が流れ続けます。

 こうなるとpn接合のp型とn型の半導体の境界付近では、近い位置に電子と正孔がたくさんいることになります。電子と正孔はマイナスとプラスの電荷をもっているので互いに引き合って結合します。エネルギーバンド図では図Cに示すように伝導帯の伝導電子が価電子帯に落ち込んで正孔と結合します。このとき電子はエネルギーを放出しますが、光として放出すれば発光が起こります。電子は消滅しても電源からどんどん供給されますから、発光もずっと続きます。これが発光ダイオード(LED)が発光する原理です。

 ところで、これまでp型やn型の半導体を説明するときにたびたび4価の原子を例に出しました。これは説明をわかりやすくするためでしたが、この4価の元素の代表格であるシリコン(珪素)やゲルマニウムはpn接合を作ってそれに電流を流しても発光はしません。これはなぜかを説明するのは難しいのですが、物質によって結晶のでき方がちがい、シリコンなどの場合は、伝導帯から電子が落ちにくい構造になっているということが言えます。例え落ちてもエネルギーは光としてでなく、熱として放出されます。

 ではシリコンのpn接合が何の役にも立たないかと言うとそんなことはありません。上に書きましたが、pn接合は1方向にしか電流が流れません。この性質を使って交流を直流に変える整流器ができます。あらゆる電子機器は内部では直流の電源を使って動いていますが、ご存知のように家庭に来ている電気は交流です。交流はプラスマイナスに電流の向きが交互に変化していますが、これを1方向しか電流を流さないpn接合ダイオードに通すと、交流が直流に変わるわけです。シリコンのダイオードはこの整流用をはじめとしていろいろな場面で広く使われています。

 話が逸れましたが、GaAsなどV−V族の化合物半導体には発光しやすいものが多くありますので、これらを使って発光ダイオードが作られています。それではどうして赤や緑や青のいろいろな色で発光するダイオードがあるのでしょうか。光の色はその光の波長で決まります。赤色なら波長は650nmくらい、緑色なら550nmくらい、青色なら450nmくらいです。一方、光のもつエネルギーは波長とは逆比例の関係にあります。pn接合で発光する光は伝導帯から価電子帯に電子が落ちるときに失うエネルギーですから大体バンドギャップのエネルギーに相当します。このバンドギャップのエネルギーは半導体の種類によって決まりますから、半導体の種類を選ぶといろいろな色に発光する発光ダイオードが作れることになります。

 GaNはまさに青色を発光させるために選ばれた材料です。発光ダイオードが光る原理についての説明は大体終わりました。また青色発光ダイオードの話に戻ることにしましょう。

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