LED (発光ダイオード) ライトは、そのエネルギー効率、長寿命、多用途性により、近年ますます人気が高まっています。LED ライトがどのように光を生成するかを理解するには、関連する基礎的な物理原理を詳しく調べることが不可欠です。
LEDとは何ですか?
LED は、電流が流れると発光する半導体デバイスです。これは、光を集束させる透明なプラスチック レンズに囲まれた半導体ダイオードとして知られる小さなチップで構成されています。
物理原理
LED の機能は、エレクトロルミネセンス、エネルギーバンドギャップ、量子力学という 3 つの主要な物理原理に依存しています。
1. エレクトロルミネッセンス:
エレクトロルミネッセンスは、電流が流れると材料が発光するプロセスです。LED では、これは 2 つの半導体材料の接合部で起こります。
LED に順方向電圧が印加されると、N 型 (マイナス) 材料からの電子が P 型 (プラス) 材料に注入されます。同時に、P 型材料からの正孔が N 型材料に注入されます。電子と正孔が接合部で再結合すると、光子の形でエネルギーが放出され、光が生成されます。
2. エネルギーバンドギャップ:
エネルギーバンドギャップは LED の動作において重要な役割を果たします。バンドギャップとは、価電子帯（電子が詰まっている）と伝導帯（電子が入っていない）の間のエネルギー差を指します。
LED では、使用される材料のバンドギャップ エネルギーが異なります。P 型材料のバンド ギャップ エネルギーは小さく、N 型材料のバンド ギャップ エネルギーは大きくなります。この違いにより、電子と正孔の効率的な移動が可能になり、再結合と発光が促進されます。
直接バンドギャップと間接バンドギャップ:
ガリウムヒ素リン化物 (GaAsP) のような直接バンドギャップを持つ材料は、より効率的な光の放射を可能にします。対照的に、シリコン (Si) のような間接バンドギャップを持つ材料は、光ではなく熱を放出するため、LED アプリケーションにはあまり適していません。
3. 量子力学:
量子力学は、LED 内の電子と光子の挙動を説明するのに役立ちます。量子論によれば、粒子は離散的なエネルギーレベルまたは状態で存在することができます。
LED の場合、半導体材料内の原子の配置により、電子の特定のエネルギー レベルが生じます。電子が高いエネルギー準位から低いエネルギー準位に落ちるとき、光子の形でエネルギーを放出します。
LEDの種類:
LEDには、赤、緑、青、白などさまざまな色があります。発光する色は主に LED の構造に使用される材料によって決まります。
- 赤色 LED:赤色 LED は通常、アルミニウム ガリウム ヒ素 (AlGaAs) またはガリウム ヒ素リン化物 (GaAsP) を使用して作成されます。
- 緑色 LED:緑色 LED は、多くの場合、リン化アルミニウム ガリウム (AlGaP) または窒化インジウム ガリウム (InGaN) から作られます。
- 青色 LED:青色 LED は、窒化インジウムガリウム (InGaN) または炭化ケイ素 (SiC) を使用して構成されています。
- 白色 LED:白色 LED は、青色 LED と黄色蛍光体コーティングを組み合わせるか、赤色、緑色、青色 LED の混合物を使用することによって形成されます。
LED ライトの利点:
- エネルギー効率: LED ライトはエネルギー効率が高く、電気エネルギーのかなりの部分を光に変換します。従来の白熱灯や蛍光灯と比べて消費電力が大幅に少なくなります。
- 長寿命：LEDライトは従来の電球よりもはるかに長寿命です。最大 25 倍長持ちするため、頻繁な交換の必要性が軽減されます。
- 低熱放出: LED は他の光源と比べて熱の発生が非常に少ないため、より安全に使用でき、冷却システムへの負担も軽減されます。
- 瞬間的な照明: LED はほぼ瞬時に最大の明るさに達するため、他の照明技術に必要なウォームアップ時間が不要になります。
- コンパクトで耐久性：LEDライトはコンパクトで堅牢なため、幅広い用途に適しています。
結論：
LED ライトは、エレクトロルミネッセンス、エネルギーバンドギャップ、量子力学の原理に基づいて動作します。適切なエネルギーバンドギャップを持つ半導体材料に電流を流すと、電子と正孔が接合部で再結合し、光の形でエネルギーが放出されます。LED ライトの背後にある物理原理を理解すると、LED ライトの効率性、寿命、多用途性を理解することができ、LED ライトがさまざまな産業や日常生活の照明に人気の選択肢となっています。
LED 照明とそのアプリケーションの詳細については、LED 照明 Web サイトを参照してください。
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