LEDは電気回路でどのように光を生成しますか？
経験豊富な電気サプライヤーとして、私は電気市場でダイオード（LED）を放出する光の革新的な影響を直接目撃しました。 LEDは、私たちの世界を照らす方法を変え、エネルギー - 効率的で、長持ちし、汎用性の高い照明ソリューションを提供しています。しかし、これらの小さなデバイスがどのようにして電気回路内で光を生成するのか疑問に思ったことはありませんか？このブログでは、LEDライトプロダクションの背後にある魅力的な科学を掘り下げます。
ダイオードの基本
LEDがどのように機能するかを理解するには、最初にダイオードの概念を把握する必要があります。ダイオードは、電流が一方向のみに流れることを可能にする半導体デバイスです。 2つの端子があります：アノード（正）とカソード（負）。ダイオードの基本構造は、AP -Type SemiconductorとN -Type Semiconductorが結合されたもので構成されています。
AP -Type Semiconductorには、「穴」または正電荷キャリアがあります。これらの穴は、ベース半導体の原子よりも電子が少ない半導体材料に不純物を追加することによって作成されます。一方、N -Type半導体には、基本材料よりも多くの電子がある不純物のおかげで、電子が過剰になります。
AP -typeとn -typeの半導体が接触すると、接合部に枯渇領域が形成されます。この領域では、n -type側からの電子がp-タイプ側に拡散し、穴を埋めます。これにより、通常の条件下での電流の流れに対する障壁として機能する電荷キャリアがほとんどない地域が作成されます。
LEDのフォワードバイアス
LEDが光を生成するためには、それは前方に偏っている必要があります。前方バイアスは、アノードに正の電圧を適用し、カソードに負の電圧を適用することを意味します。 LEDに十分な前方電圧が適用されると、枯渇領域の潜在的な障壁を克服します。
印加された電圧は、n -type半導体から電子をp -type半導体に向かって押し、p -typeからn -typeに向かって穴を押します。電子と穴がジャンクションで出会うと、彼らは再結合します。
電子 - 穴の再結合と光放出
LEDでの光生成の鍵は、電子 - 穴の再結合の過程にあります。コンビネーション中に電子が穴に落ちると、より高いエネルギーレベルから低いエネルギーレベルに移動します。量子力学の法則によれば、電子の過剰なエネルギーは光子の形で放出されます。
光子のエネルギーはその波長を決定し、光の色を決定します。異なる半導体材料を使用して、異なる色のLEDを生成します。たとえば、リン化ガリウム（GAASP）を使用して赤と黄色のLEDを作ることができますが、窒化インジウム（INGAN）は青と緑のLEDに一般的に使用されます。
LEDによって放出される光の色は、半導体材料のエネルギーバンドギャップに直接関連しています。エネルギーバンドギャップは、価電子帯（穴がある場所）と伝導帯（電子が配置されている場所）のエネルギーの違いです。より大きなバンドギャップは、より短い波長（青または紫の光など）に対応する、より高いエネルギーの光子の放出をもたらします。逆に、より小さなバンドギャップは、エネルギーが低く、波長（赤色光など）の光子の放射につながります。
電流の役割
LEDによって生成される光の量は、それを通る電流に直接比例します。より多くの電流がLEDを通過するにつれて、より多くの電子と穴が接合部で再結合し、より多くの光子の放出と明るい光が生じます。
ただし、LEDが処理できる電流の量には制限があることに注意することが重要です。この制限を超えると、LEDが過熱し、最終的に失敗する可能性があります。これが、電流 - 制限抵抗器がLED回路でよく使用される理由です。電流 - 制限抵抗は、LEDと直列に接続され、それを流れる電流の量を制御し、LEDを損傷から保護します。
LEDの効率
従来の白熱灯と蛍光灯に対するLEDの主な利点の1つは、その高効率です。白熱電球は、フィラメントが輝くまでフィラメントを加熱することにより、光を生成します。ただし、白熱電球によって消費されるエネルギーの大部分は、熱として無駄になります。蛍光灯は白熱電球よりも効率的ですが、電気エネルギーの紫外線、そして可視光への変換により、まだエネルギー損失があります。
一方、LEDは、はるかに高い割合の電気エネルギーを直接光に変換します。これは、電子 - 穴の再結合のプロセスが光を生成する非常に効率的な方法であるためです。 LEDの高効率はエネルギーを節約するだけでなく、発生した熱の量を減らします。これは、LEDの寿命と照明システムの全体的なエネルギー消費の両方に有益です。
LEDのアプリケーション
LEDのユニークな特性は、さまざまなアプリケーションで広く使用されています。自動車業界では、LEDがヘッドライト、テールライト、インテリア照明に使用されます。彼らは、従来の自動車照明システムと比較して、より良い視認性、より長い寿命、およびエネルギー消費の削減を提供します。
家電部門では、スマートフォン、タブレット、テレビなどのディスプレイでLEDが使用されています。さまざまな色と高強度の光を生成する機能により、LEDは鮮やかでエネルギーを作成するのに最適です - 効率的なディスプレイ。
一般的な照明の分野では、LEDは従来の光源を急速に置き換えています。それらは、家、オフィス、通り、公共の建物で使用されています。彼らの長い寿命は、交換の頻度が低く、エネルギー効率は時間とともに大幅なコスト削減をもたらします。
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参照
- Streetman、BG、＆Banerjee、S。（2006）。ソリッドステート電子デバイス。プレンティスホール。
- Sze、SM、＆Ng、KK（2007）。半導体デバイスの物理学。 Wiley-インターサイエンス。
