発光ダイオードは特殊なダイオードです。通常のダイオードと同様に、発光ダイオードは半導体チップで構成されています。これらの半導体材料は、p 構造と n 構造を生成するために事前注入またはドーピングされます。
他のダイオードと同様に、発光ダイオードの電流は p 極 (アノード) から n 極 (カソード) に容易に流れますが、逆方向には流れません。 2 つの異なるキャリア、つまり正孔と電子が、異なる電極電圧の下で電極から p 構造と n 構造に流れます。正孔と電子が出会って再結合すると、電子はより低いエネルギーレベルに落ち、光子の形でエネルギーを放出します（光子は私たちが通常光と呼ぶものです）。
発する光の波長（色）は、p 構造と n 構造を構成する半導体材料のバンドギャップ エネルギーによって決まります。
シリコンとゲルマニウムは間接バンドギャップ材料であるため、室温では、これらの材料における電子と正孔の再結合は非放射遷移です。このような遷移では光子は放出されませんが、エネルギーが熱エネルギーに変換されます。したがって、シリコンおよびゲルマニウムのダイオードは発光できません (非常に低い特定の温度で発光するため、特別な角度で検出する必要があり、光の明るさは明らかではありません)。
発光ダイオードに使用される材料はすべて直接バンドギャップ材料であるため、エネルギーは光子の形で放出されます。これらの禁制帯エネルギーは、近赤外、可視、または近紫外帯域の光エネルギーに対応します。
このモデルは、電磁スペクトルの赤外線部分で光を放射する LED をシミュレートします。
開発の初期段階では、ガリウムヒ素 (GaAs) を使用した発光ダイオードは赤外線または赤色光しか放射できませんでした。材料科学の進歩により、新しく開発された発光ダイオードは、ますます高い周波数の光波を放射できるようになりました。現在では、さまざまな色の発光ダイオードを作ることができます。
ダイオードは通常、N 型基板上に構築され、その表面に P 型半導体層が堆積され、電極で接続されます。 P 型基板はあまり一般的ではありませんが、使用されています。多くの市販の発光ダイオード、特に GaN/InGaN もサファイア基板を使用しています。
LED の製造に使用されるほとんどの材料は、非常に高い屈折率を持っています。これは、光波のほとんどが空気との界面で反射して材料内に戻ることを意味します。したがって、光波の抽出は LED にとって重要なテーマであり、多くの研究開発がこのテーマに焦点を当てています。
LED（発光ダイオード）と通常のダイオードの主な違いはその材料と構造であり、電気エネルギーを光エネルギーに変換する効率が大きく異なります。 LED が発光できるのに、通常のダイオードが発光できない理由を説明する重要なポイントをいくつか紹介します。
さまざまな素材:LED は、ガリウムヒ素 (GaAs)、ガリウムリン (GaP)、窒化ガリウム (GaN) などの III-V 族半導体材料を使用します。これらの材料にはダイレクトバンドギャップがあり、電子が直接ジャンプして光子 (光) を放出できます。通常のダイオードには間接バンドギャップを持つシリコンまたはゲルマニウムが使用されており、電子ジャンプは主に光ではなく熱エネルギーの放出の形で発生します。
異なる構造:LED の構造は、光の生成と放射が最適化されるように設計されています。 LED は通常、光子の生成と放出を促進するために、pn 接合に特定のドーパントと層構造を追加します。通常のダイオードは電流の整流機能を最適化するように設計されており、光の生成には重点を置いていません。
エネルギーバンドギャップ:LED の材料は大きなバンドギャップ エネルギーを持っています。これは、遷移中に電子によって放出されるエネルギーが光の形で現れるのに十分なほど高いことを意味します。通常のダイオードの材料バンドギャップ エネルギーは小さく、電子は遷移時に主に熱の形で放出されます。
発光機構：LED の pn 接合が順方向バイアス下にある場合、電子は n 領域から p 領域に移動し、正孔と再結合し、光子の形でエネルギーを放出して光を生成します。通常のダイオードでは、電子と正孔の再結合は主に非放射再結合の形で行われます。つまり、エネルギーは熱の形で放出されます。
これらの違いにより、LED は動作時に発光することができますが、通常のダイオードは発光できません。
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投稿時刻: 2024 年 8 月 1 日