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zoom RSS 発光ダイオードの原理

<<   作成日時 : 2012/04/22 20:04   >>

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 発光ダイオードは基本的には単純な半導体pn接合からできています。このpn接合のp側とn側の半導体にそれぞれ電極を着けてあります。この電極に電源をつないでpn接合に電流を流すと発光が起きます。
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 それではpn接合に電池などの直流電源をつなぐとどうなるか考えてみます。図Aはpn接合の両側に電圧がかかっていない場合(電圧がゼロの場合)を示しています。両方の電極を電線でつないでしまう(ショート、短絡)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ーバンド図が図Aのようになります。接合部分には外部電圧がゼロでも障壁(バリア)といわれる段差ができています。

 それではp側に電池のマイナス極を、n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。障壁はさらに高くなり、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。したがって発光も起きません。

 では電池を反対につないだらどうでしょう。p側にプラス極を、n側にマイナス極をつなぎます。エネルギーバンド図は図Cのようになります。障壁は短絡状態のときより低くなり、n側の電子はp側に流れ易くなり、逆にp側の正孔はn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(再結合といいます)します。このとき電子はエネルギーを放出しますが、そのエネルギーが光として放出され発光が起きます。電子は消滅しても電源からどんどん供給されますから、発光も電源がつないである限りずっと続きます。これが発光ダイオード(LED)が発光する原理です。

 電子と正孔を再結合させるだけなら、なにもpn接合はいらないのではないかという疑問は生じないでしょうか。確かに単体の半導体の両端に電極を着ければ電流を流すことはできます。電子と正孔も再結合することが可能です。ただし単体の半導体内では電子の密度と正孔の密度はその積が一定でなければなりません。電子密度を大きくすると正孔密度は減ってしまいます。

 この関係は電源をつないで電流を流してもあまり大きくは変えることができないので、単体の半導体では十分な量の電子と正孔が結合できません。ところがpn接合ではn側には電子が、p側には正孔が大量にいて、これが接合部分に供給されますから多くの再結合が起こり、強い発光を起こすことが可能になります。半導体ではこのようにn型、p型が作れ、これを接合させることができるため、発光ダイオードが実現できるのです。

 さて以上の説明では電子がエネルギーを失い、それが光に変わるのだと言っているに過ぎません。なぜ光になるのかはこれだけではわかったとは言えないでしょう。この点をもう少し考えてみます。

 光は電磁波の一種です。放送や無線通信に使われる電波は可視光より波長が長く目に見えませんが、電磁波という点では同じものです。電波は導体のアンテナから空中に出ます。導体中を流れる電流が変化すると、電磁誘導によって周辺の空間の電界、磁界が変化し、条件が整ったとき、この変化が空間を伝わっていくことができます。

 それでは半導体からどうして光が出るのでしょうか。上記のように電子と正孔が結合するということは、言い換えれば、原子から離れて自由に動ける電子が原子の価電子に戻るということです。この電子の消滅の際に条件が整えば、原子から電磁波が放出されます。

 このような原子のまわりで起きる現象は量子力学を使わないと理解できないのですが、これについては後に紹介することを予定しています。




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