発光ダイオードとは：動作とその応用

発光ダイオードは2ピンの半導体光源です。 1962年、ニック・ホロニアックは発光ダイオードのアイデアを思いつき、彼はゼネラル・エレクトリック社で働いていました。 LEDは特殊なタイプのダイオードであり、PN接合ダイオードと同様の電気的特性を備えています。したがって、LEDは順方向の電流の流れを可能にし、逆方向の電流をブロックします。 LEDは以下の小さな領域を占めます 1mm^二 。 LEDの用途 さまざまな電気および電子プロジェクトを作成するために使用されます。この記事では、LEDの動作原理とそのアプリケーションについて説明します。

発光ダイオードとは何ですか？

発光ダイオードは p-n接合ダイオード 。これは特別にドープされたダイオードであり、特別なタイプの半導体で構成されています。光が順方向にバイアスされて発光する場合、それは発光ダイオードと呼ばれます。

発光ダイオード

LEDシンボル

LEDシンボルは、発光を指定する2つの小さな矢印を除いて、ダイオードシンボルに似ているため、LED（発光ダイオード）と呼ばれます。 LEDには、アノード（+）とカソード（-）の2つの端子があります。 LED記号を以下に示します。

LEDシンボル

LEDの構築

LEDの構造は、基板上に3つの半導体材料層を堆積することによって設計されているため、非常に簡単です。これらの3つの層は、上部の領域がPタイプの領域で、中央の領域がアクティブで、最後に下部の領域がNタイプである1つずつ配置されます。半導体材料の3つの領域が構造で観察できます。構造では、P型領域には正孔が含まれ、N型領域には選択が含まれますが、アクティブ領域には正孔と電子の両方が含まれます。

LEDに電圧が印加されていない場合、電子と正孔の流れがないため、安定しています。電圧が印加されると、LEDは順方向にバイアスされるため、N領域の電子とP領域の正孔がアクティブ領域に移動します。この領域は、空乏領域とも呼ばれます。正孔のような電荷キャリアには正の電荷が含まれているのに対し、電子には負の電荷があるため、極性電荷の再結合によって光を生成できます。

発光ダイオードはどのように機能しますか？

発光ダイオードは、単にダイオードとして知られています。ダイオードが順方向にバイアスされると、電子と正孔は接合部を横切って高速で移動し、それらは絶えず結合され、互いに除去されます。電子がn型からp型のシリコンに移動するとすぐに、正孔と結合して消えます。したがって、それは完全な原子をより安定させ、小さなパケットまたは光の光子の形でエネルギーの小さなバーストを与えます。

発光ダイオードの働き

上の図は、発光ダイオードがどのように機能するか、および図の段階的なプロセスを示しています。

• 上の図から、N型シリコンは黒い円で示された電子を含めて赤色であることがわかります。
• P型シリコンは青色で穴が開いており、白い円で示されています。
• p-n接合の両端の電源により、ダイオードが順方向にバイアスされ、電子がn型からp型に押し出されます。穴を反対方向に押します。
• 接合部の電子と正孔が結合されます。
• 電子と正孔が再結合すると、光子が放出されます。

発光ダイオードの歴史

LEDは1927年に発明されましたが、新しい発明ではありません。 LEDの歴史の簡単なレビューを以下に説明します。

• 1927年、Oleg Losev（ロシアの発明家）が最初のLEDを作成し、彼の研究に関する理論を発表しました。
• 1952年、Kurt Lechovec教授は敗者理論の理論をテストし、最初のLEDについて説明しました。
• 1958年、最初の緑色LEDは、ルービン・ブラウンシュタインとエゴン・ローブナーによって発明されました。
• 1962年、ニック・ホロニアックによって赤色LEDが開発されました。したがって、最初のLEDが作成されます。
• 1964年、IBMはコンピューターの回路基板に初めてLEDを実装しました。
• 1968年、HP（Hewlett Packard）は電卓でLEDの使用を開始しました。
• 1971年、ジャック・パンコーブとエドワード・ミラーが青色LEDを発明しました
• 1972年、M。ジョージクロフォード（電気技師）が黄色のLEDを発明しました。
• 1986年、スタッフォード大学のWalden C.RhinesとHerbertMaruskaは、将来の規格を含むマグネシウムを使用した青色LEDを発明しました。
• 1993年、天野浩と物理学者のアカスキイサムは、高品質の青色LEDを備えた窒化ガリウムを開発しました。
• 中村修二氏のような電気技師は、アマノス＆アカスキの開発により、初の高輝度青色LEDを開発し、急速に白色LEDの拡大につながりました。
  2002年には、白色LEDが住宅用に使用され、電球ごとに約80ポンドから100ポンドの充電が行われました。
• 2008年、LEDライトはオフィス、病院、学校で非常に人気がありました。
• 2019年には、LEDが主な光源になりました
• LEDの開発は、小さな表示からオフィス、家庭、学校、病院などを照らすまでの範囲であるため、驚くべきものです。

バイアス用の発光ダイオード回路

ほとんどのLEDの定格電圧は1ボルト〜3ボルトですが、順方向電流の定格は200 mA〜100mAです。

LEDバイアス

LEDに電圧（1V〜3V）を印加すると、印加電圧の電流が動作範囲内になるため、LEDは正常に機能します。同様に、LEDに印加される電圧が動作電圧よりも高い場合、高電流が流れるため、発光ダイオード内の空乏領域が破壊されます。この予期しない大電流は、デバイスに損傷を与えます。

これは、電圧源およびLEDと直列に抵抗を接続することで回避できます。 LEDの安全電圧定格は1Vから3Vの範囲ですが、安全電流定格は200mAから100mAの範囲です。

ここで、電圧源とLEDの間に配置された抵抗は、電流制限抵抗と呼ばれます。これは、この抵抗が電流の流れを制限するためです。そうしないと、LEDが電流を破壊する可能性があります。したがって、この抵抗はLEDを保護する上で重要な役割を果たします。

数学的には、LEDを流れる電流は次のように書くことができます。

IF = Vs – VD / Rs

どこ、

「IF」は順方向電流です

「Vs」は電圧源です

「VD」は、発光ダイオードの両端の電圧降下です。

「rs」は電流制限抵抗です

空乏領域の障壁を打ち破るために降下した電圧の量。 LEDの電圧降下は2Vから3Vの範囲ですが、SiまたはGeダイオードは0.3、それ以外の場合は0.7Vです。

したがって、LEDはSiまたはGeダイオードと比較して高電圧を使用して動作させることができます。
発光ダイオードは、動作するためにシリコンまたはゲルマニウムダイオードよりも多くのエネルギーを消費します。

発光ダイオードの種類

がある さまざまな種類の発光ダイオード 現在およびそれらのいくつかは以下に記載されています。

• ガリウムヒ素（GaAs）–赤外線
• ガリウム砒素リン（GaAsP）–赤から赤外線、オレンジ
• アルミニウムガリウム砒素リン（AlGaAsP）–高輝度の赤、オレンジ-赤、オレンジ、および黄色
• リン化ガリウム（GaP）–赤、黄、緑
• アルミニウムリン化ガリウム（AlGaP）–緑
• 窒化ガリウム（GaN）–緑、エメラルドグリーン
• 窒化インジウムガリウム（GaInN）–近紫外線、青緑色、青色
• 炭化ケイ素（SiC）–基板としての青
• セレン化亜鉛（ZnSe）–青
• アルミニウムガリウムナイトライド（AlGaN）–紫外線

LEDの動作原理

発光ダイオードの動作原理は、量子論に基づいています。量子論によれば、電子がより高いエネルギーレベルからより低いエネルギーレベルに下がると、エネルギーは光子から放出されます。光子エネルギーは、これら2つのエネルギーレベル間のエネルギーギャップに等しくなります。 PN接合ダイオードが順方向にバイアスされている場合、電流はダイオードを流れます。

LEDの動作原理

半導体内の電流の流れは、電流の反対方向への正孔の流れと、電流の方向への電子の流れによって引き起こされます。したがって、これらの電荷キャリアの流れによる再結合が発生します。

再結合は、伝導帯の電子が価電子帯にジャンプダウンすることを示しています。電子があるバンドから別のバンドにジャンプすると、電子は光子の形で電磁エネルギーを放出し、光子エネルギーは禁止されたエネルギーギャップに等しくなります。

たとえば、量子論を考えてみましょう。光子のエネルギーは、プランク定数と電磁放射の周波数の両方の積です。数式が表示されます

Eq = hf

彼がプランク定数として知られており、電磁放射の速度が光の速度に等しい場合、つまりc。周波数放射は、f = c /λとして光速に関連しています。 λは電磁放射の波長として表され、上記の式は次のようになります。

Eq = he /λ

上記の式から、電磁放射の波長は禁制ギャップに反比例すると言えます。一般に、シリコン、ゲルマニウム半導体では、この禁じられたエネルギーギャップは条件と価電子帯の間にあり、再結合中の電磁波の全放射は赤外線の形になります。赤外線の波長は可視範囲外であるため、見ることができません。

シリコンとゲルマニウム半導体は直接ギャップ半導体ではなく、間接ギャップ半導体であるため、赤外線放射は熱と言われています。しかし、直接ギャップ半導体では、価電子帯の最大エネルギー準位と伝導帯の最小エネルギー準位は、電子の同じ瞬間には発生しません。したがって、電子と正孔の再結合中に、伝導帯から価電子帯への電子の移動があり、電子帯の運動量が変化します。

白色LED

LEDの製造は、2つの手法で行うことができます。最初の手法では、赤、緑、青などのLEDチップを同様のパッケージ内に統合して白色光を生成しますが、2番目の手法ではリン光を利用します。蛍光体内の蛍光は周囲のエポキシ内にまとめることができ、LEDはInGaNLEDデバイスを使用して短波長エネルギーによって活性化されます。

青、緑、赤のライトなどのさまざまな色のライトをさまざまな量で組み合わせて、一次加法色として知られるさまざまな色の感覚を生み出します。これらの3つの光強度は、白色光を生成するために等しく加算されます。

しかし、異なる色の組み合わせと拡散を制御するための複雑な電気光学設計を必要とする緑、青、赤のLEDの組み合わせを通じてこの組み合わせを実現するには。さらに、このアプローチは、LEDの色の変化のために複雑になる可能性があります。

白色LEDの製品ラインは、主に蛍光体コーティングを使用した単一のLEDチップに依存しています。このコーティングは、紫外線または青色光子を通過すると白色光を生成します。同じ原理が蛍光灯にも当てはまります。チューブ内の放電から紫外線が放出されると、蛍光体が白く点滅します。

このLEDのプロセスは異なる色相を生成する可能性がありますが、その違いはスクリーニングによって制御できます。白色LEDベースのデバイスは、CIE図の中心に隣接する4つの正確な色度座標を使用してスクリーニングされます。

CIEダイアグラムは、ホースシューカーブ内で達成可能なすべての色座標を示しています。きれいな色が弧の上にありますが、白い先端は中央にあります。白色LEDの出力色は、グラフの中央に表示されている4つのポイントで表すことができます。 4つのグラフ座標はきれいな白に近いですが、これらのLEDは通常、カラーレンズを照らす一般的な光源のように効果的ではありません。

これらのLEDは、主に白色のレンズ、バックライトの不透明なレンズに役立ちます。この技術が進歩し続けると、白色LEDは確かに照明源および表示としての評判を得るでしょう。

発光効率

LEDの発光効率は、各ユニットのlm単位で生成される光束として定義でき、電力はW内で使用できます。青色LEDの定格内部効率の順序は75 lm / Wです。琥珀色のLEDは500lm / W＆赤です。 LEDのサイズは155lm / Wです。内部再吸収のため、損失は、緑色および黄色のLEDの発光効率が20〜25 lm / Wの範囲であると見なすことができます。この有効性の定義は、外部有効性とも呼ばれ、多色LEDなどの他のタイプの光源に通常使用される有効性の定義に類似しています。

多色発光ダイオード

順方向バイアスで接続すると1色を生成し、逆方向バイアスで接続すると色を生成する発光ダイオードは、マルチカラーLEDと呼ばれます。

実際、これらのLEDには2つのPN接合が含まれており、これの接続は、もう一方のカソードにリンクされている一方のアノードと並列に行うことができます。

マルチカラーLEDは通常、ある方向にバイアスされると赤になり、別の方向にバイアスされると緑になります。このLEDが2つの極性の間で非常に速くオンになると、このLEDは3番目の色を生成します。緑または赤のLEDは、バイアス極性間で急速に前後に切り替わると、黄色の光を生成します。

ダイオードとLEDの違いは何ですか？

ダイオードとLEDの主な違いは次のとおりです。

LEDのI-V特性

市場にはさまざまな種類の発光ダイオードがあり、色光、または波長放射、光強度など、さまざまなLED特性があります。 LEDの重要な特徴は色です。 LEDの使用を開始すると、赤い色だけがあります。半導体プロセスの助けを借りてLEDの使用が増加し、LEDの新しい金属の研究を行うにつれて、さまざまな色が形成されました。

LEDのI-V特性

次のグラフは、順方向電圧と電流の間の近似曲線を示しています。グラフの各曲線は異なる色を示しています。この表は、LEDの特性の要約を示しています。

LEDの特徴

LED構成の2つのタイプは何ですか？

LEDの標準構成は、2つの同様のエミッターとCOBです。

エミッタは、回路基板に向かって、次にヒートシンクに取り付けられる単一のダイです。この回路基板は、熱を奪いながら、エミッタに電力を供給します。

コストを削減し、光の均一性を高めるために、研究者は、LED基板を取り外して、単一のダイを回路基板にオープンに取り付けることができると判断しました。したがって、この設計はCOB（チップオンボードアレイ）と呼ばれます。

LEDの長所と短所

ザ・ 発光ダイオードの利点 以下のものが含まれます。

• LEDのコストは低く、小さいです。
• LEDを使用することにより、電気が制御されます。
• LEDの強度は、マイクロコントローラーの助けを借りて異なります。
• 長い寿命
• エネルギー効率
• ウォームアップ期間なし
• 頑丈
• 低温の影響を受けません
• 方向性
• 演色性は優れています
• 環境にやさしい
• 制御可能

ザ・ 発光ダイオードのデメリット 以下のものが含まれます。

• 価格
• 温度感度
• 温度依存性
• 光の質
• 電気極性
• 電圧感度
• 効率の低下
• 昆虫への影響

発光ダイオードの応用

LEDには多くの用途があり、その一部を以下に説明します。

• LEDは家庭や産業で電球として使用されています
• 発光ダイオードは二輪車や自動車に使用されています
• これらは携帯電話でメッセージを表示するために使用されます
• 信号機ではLEDが使用されています

したがって、この記事では 発光ダイオードの概要 回路の動作原理と応用。この記事を読んで、発光ダイオードの基本的な実用的な情報が得られたことを願っています。この記事または最終年度の電気プロジェクトについて質問がある場合は、以下のセクションにコメントしてください。ここにあなたへの質問があります、 LEDとは何ですか？どのように機能しますか？