LEDの発光原理~LEDの豆知識~|オージェックのコラム「LEDの豆知識」

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LEDの発光原理~LEDの豆知識~

省電力・長寿命・低温度といった特徴をもつLED。「第4世代のあかり」とも呼ばれ、LED照明やLED蛍光灯、LED電球、LEDライトといったさまざまな分野で普及が進んでいます。今回は、このLEDがなぜ光るのか? といった発光原理についてご紹介。そのほか、白を含む色彩表現の仕組みなどについても迫っていきます。

LEDはどうして光る?

LEDとは「Light Emitting Diode」の略であり、プラスとマイナスの電流がLEDチップ内で衝突するエネルギーを利用して発光する半導体です。日本では発光ダイオードと呼ばれます。

LEDの基本構造と発光原理について

LEDはフィラメントを利用する白熱灯や蛍光灯と異なり、電気を直接光に変化させるという発光原理をもっています。そのため、電気が効率的に光へ変わり、消費電力が少なくなるのです。ではLEDはどのように電気を光に変換するのでしょうか?それを知るには、LEDチップの構造について知る必要があります。
LEDチップは「P/N接合」と呼ばれる基本構造をもっています。これは、P型とN型の2種類の半導体を結合したもので、ダイオード(LEDは光を出すので発光ダイオード)と呼ばれます。

P型半導体:プラス(+:positive)正孔が多い半導体
N型半導体:マイナス(-:negative)電子が多い半導体

LEDチップへ電気を流すと、N電極からP電極へ電子が流れ、衝突が起きた部分で発光が起こります。これは、P型半導体の正孔と電子が結合し、エネルギーが放出されるためです。この状態を再結合と呼びます。再結合時には電子と正孔が元々もっているエネルギーよりも小さくなり、余分に発生したエネルギー(自然光放出発光)が光となります。

さまざまな色彩を表現するLED その秘密は化合物にあり

LEDは白・赤・青・緑といったさまざまな色彩を表現することができます。これはLEDチップに含まれる化合物によるものです。化合物にはアルミニウム・ガリウム・インジウム・ゲルマニウム・窒素・リンなどさまざまな種類があり、それぞれ波長が異なります。この波長の長さがLEDの色に影響します。

発光色 赤色 橙色 黄色 緑色 青色 紫外
波長(mm) 660 610~650 595 520 450~475 365~400

 

LEDにおける白色の表現方式

LEDに利用される化合物には、実は白色を発光できるものがありません。そのため、LEDは組み合わせによって白を表現します。下記がその主な方式と特徴です。

【青色LED+蛍光体/シングルチップ方式】
黄色蛍光体を青色LEDによって光らせる、最も発光効率が高い方式です。赤色領域が不足しがちという特徴がありますが、改良型も登場し実用化が進んでいます。

【赤・緑・青色LED/マルチチップ方式】
光の三原色を組み合わせて白色光を表現する方式です。見た目は白いのですが、放射エネルギーのない波長域があるため、不自然な見え方になる場合があります。

【近紫外線+蛍光体/シングルチップ方式】
近紫外線(もしくは紫色)LEDを使い赤・緑・青の発光体を光らせる方式です。美しい白さが得られる反面、発光効率が悪いという特徴があり、課題となっています。

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