発光ダイオード (LED) の説明

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LEDの完全な形は発光ダイオードです。 LEDは、端子間に加えられた電位差に反応して光を発する特別なタイプの半導体ダイオードであるため、発光ダイオードと呼ばれています。通常のダイオードと同じように、LED にも極性のある 2 つの端子、つまりアノードとカソードがあります。 LED を点灯させるには、アノード端子とカソード端子に電位差または電圧を加えます。

今日、LED は高輝度の最先端 LED ランプの製造に広く使用されています。これらは、装飾的な LED ストリング ライトや LED インジケータの製造にも広く使用されています。



簡単な歴史

LED は今日のハイテク半導体産業の製品と見なされているにもかかわらず、LED の照明特性は何年も前に最初に確認されました。 LED ライトの効果に最初に気付いたのは、マルコーニのエンジニアの 1 人である H. J. ラウンドでした。彼は、いくつかの真空管とラジオの発明でも知られています。彼は、1907 年にマルコーニと共に点接触結晶検出器について研究しているときに、たまたまこれを発見しました。

1907 年、エレクトリカル ワールド誌がこれらのブレークスルーについて最初に報告しました。 LED の概念は、1922 年にロシアの科学者 O.V.ロソフ。



ロソフはレニングラードに住んでいましたが、そこで彼は第二次世界大戦で悲劇的に殺されました。彼のデザインのほとんどが戦争で失われた可能性があります。彼は 1927 年から 1942 年の間に合計 4 つの特許を申請しましたが、彼の研究は彼の死後まで認められませんでした。

LED の概念は 1951 年に再び登場し、K. Lehovec の科学者グループがその効果を調査し始めました。調査は、W. Shockley (トランジスタの発明者) を含む他の組織や研究者の参加によって進められました。最終的に、LED の概念は大幅に改良され、1960 年代後半に商品化され始めました。

LEDジャンクションに使用されている半導体材料は?

本質的に、発光ダイオードは、化合物半導体を使用して作られた特殊な PN 接合です。

シリコンとゲルマニウムは2つの最も広く使用されている半導体ですが、これらは単なる元素であるため、それらからLEDを作ることはできません.

逆に、ガリウム砒素、リン化ガリウム、リン化インジウムなど、2 つ以上の元素を組み合わせた材料は、LED の製造によく利用されます。例えば、ガリウム砒素は3価、砒素は5価であるため、どちらもIII-V族半導体に分類されます。

グループ III-V に属する材料は、他の化合物半導体の作成にも使用できます。

半導体接合に順方向バイアスがかかると、通常のダイオードと同様に、P 型領域からの正孔と N 型領域からの電子が接合に入り、結合します。

電流はこのように接合部を流れます。

その結果、エネルギーが放出され、その一部はフォトン (光) のように放出されます。構造によって吸収される光子 (光) の量を最小限に抑えるために、ほとんどの場合、光の大部分を生成する接合部の P 側が、デバイスの表面に最も近い位置に配置されます。

ジャンクションは完全に最適化する必要があり、適切な材料を使用して可視光を生成する必要があります。スペクトルの赤外線領域は、純粋なヒ化ガリウムがエネルギーを放出する場所です。

LED の色の取得方法

アルミニウムが半導体に導入されてアルミニウム ガリウム ヒ素が生成され、LED ライトをスペクトルの明るい赤色端 (AIGaAs) にシフトします。

赤色光は、リンを添加することによって生成することもできます。

その他のLEDの色には、様々な材料が利用されています。たとえば、リン化ガリウムは緑色の光を発しますが、黄色とオレンジ色の光はリン化アルミニウム インジウム ガリウムによって生成されます。 LEDの大部分はガリウム半導体でできています。

LEDは2つの構造で製造されています

面発光ダイオードと端面発光ダイオードは、図1AおよびBはそれぞれ、LEDに利用される2つの主要なアーキテクチャである。面発光ダイオードは、より広い角度で光を生成するため、それらの中で最も人気があります。

製造後、LED に損傷を与えることなく安全に使用できるように、LED 構造を密閉する必要があります。

小さな LED インジケータの大部分は、屈折率が半導体の屈折率と周囲の空気の屈折率の中間にあるエポキシ接着剤でカプセル化されています (下の図 2 を参照)。したがって、ダイオードは完全に保護され、光は最も効果的な方法で外界に伝達されます。

LED 順方向電圧 (VF) 仕様

LED は電流に敏感なデバイスであるため、印加電圧が LED の最小順方向電圧仕様を超えてはなりません。 LED の順方向電圧仕様 (VF) は、LED を安全かつ明るく照らすために使用できる最適な電圧レベルです。電流が LED の順方向電圧仕様を超えると、LED が燃えて永久的な損傷を受けます。

電源電圧が LED の順方向電圧よりも高い場合、計算された抵抗を電源と直列に使用して、LED への電流を制限します。これにより、LED が最適な明るさで安全に点灯できるようになります。

現在、ほとんどの LED の順方向電圧値は約 3.3 V です。赤色、緑色、または黄色の LED のいずれであっても、通常、アノード端子とカソード端子に 3.3 V を印加することですべてを点灯させることができます。

LED への供給電圧は DC でなければなりません。 AC も使用できますが、LED には整流ダイオードを接続する必要があります。これにより、AC 電圧の極性の変化が LED に害を及ぼさないことが保証されます。

制限電流

通常のダイオードと同様に、LED には固有の電流制限がありません。そのため、バッテリーに直接接続すると、焼損します。

電源 DC が約 3.3 V の場合、LED は制限抵抗を必要としません。ただし、電源電圧が 3.3 V を超える場合は、LED 端子と直列に抵抗が必要になります。

抵抗器は、LED のアノード端子または LED のカソード端子と直列に接続できます。

損傷を避けるために、抵抗を回路に接続して電流を制御する必要があります。通常のインジケータ LED の最大電流仕様は約 20 mA です。電流がこれ以下に制限されると、LED の光出力は比例して減少します。

上記の図 3 に示すように、消費される電流量を見積もる際には、LED 自体の両端の電圧を考慮する必要がある場合があります。電圧が上昇すると、消費電流も比例して増加するためです。

制限抵抗の計算式は次のとおりです。

R = V - LED FWD V / LED 電流

  • ここで、V は入力 DC 電源を表します。
  • LED FWD V は LED の順方向電圧仕様です。
  • LED 電流は、LED の最大電流処理能力を表します。

V = 12 V、LED FWD V = 3.3 V、および LED 電流 = 20 mA と仮定すると、R の値は次の方法で解くことができます。

R = 12 - 3.3 / 0.02 = 435 オーム、最も近い標準値は 470 オームです。

ワット数は = 12 - 3.3 x 0.02 = 0.174 ワット、または単に 1/4 ワットで十分です。