発光ダイオード: 入門書

発光ダイオード (LED) と呼ばれる半導体は、電気エネルギーを光エネルギーに変換します。 半導体の材料と組成によって出力光の色が決まり、LED は多くの場合、紫外、可視、赤外の 3 つの波長に分類されます。

単一素子出力が少なくとも 5 mW の市販の LED は、275 ～ 950 nm の波長範囲を持っています。 メーカーに関係なく、特定の半導体材料ファミリーが各波長範囲に使用されます。 この記事では、LED の機能の概要とこの分野の概要を説明します。 また、さまざまな LED の種類、適切な波長、その構造に使用される材料、および特定のライトの用途についても説明します。

UV LED（紫外線LED）：240～360nm

特に水の消毒、医療/生物医学用途、工業用硬化には UV LED が使用されます。 280 nm という短い波長で、100 mW を超える出力レベルが達成されています。 波長 360 nm 以上の窒化ガリウム/窒化アルミニウムガリウム (GaN/AlGaN) は、UV LED に最も頻繁に使用される材料です。 短波長では独自の素材が使用されます。 より短い波長は少数のプロバイダーによってのみ製造されており、360 nm 以上の波長の市場は価格の低下と大幅なコスト削減により安定しつつあるとはいえ、他の LED 製品と比較すると、これらの LED のコストは依然としてかなり高いです。供給。

緑色 LED の範囲は近紫外から 530 nm

この波長域の製品に使用される材料は窒化インジウムガリウム（InGaN）です。 395 ～ 530 nm の任意の波長の LED を製造することは技術的には可能ですが、主要サプライヤーの大部分は、蛍光体ベースの白色照明用の青色 LED (450 ～ 475 nm) と 520 ～ 520 nm の緑色 LED の生成に重点を置いています。交通信号の青照明の範囲は 530 nm。 ほとんどの人は、これらの LED の背後にある技術が先進的であると考えています。 過去数年にわたり、光学効率の向上は鈍化するか、止まっています。

黄緑色から赤色までのLED: 565 ～ 645 nm

この波長域で利用される半導体物質はリン化アルミニウムインジウムガリウム（AlInGaP）です。 主に交通信号の黄色 (590 nm) と赤 (625 nm) の波長で生成されます。 それほど一般的ではありませんが、ライムグリーン (または黄緑 565 nm) とオレンジ (605 nm) もこのテクノロジーで提供されています。

注目すべき点は、純粋な緑色 (555 nm) エミッターが InGaN 技術や AlInGaP 技術の特徴ではないことです。 この純粋な緑の領域には、古くて効果の低いテクノロジーがありますが、それらは効率的または優れているとは考えられていません。 これは主に、この波長範囲の代替材料技術の開発のための資金不足、および商業的関心や需要の欠如によって引き起こされます。

660 ～ 900 nm: 深赤色から近赤外線 (IRLED)

この分野のデバイスの構築にはさまざまな形式がありますが、常にアルミニウム ガリウム ヒ素 (AlGaAs) またはガリウム ヒ素 (GaAs) 要素が使用されます。 アプリケーションには、赤外線リモコンや暗視ライトだけでなく、数多くの医療用途 (660 ～ 680 nm) も含まれます。

LED動作理論

半導体ダイオードである LED が発光するには、電子が空乏領域を横切って移動し、反対側の正孔と結合して電子正孔対を生成するのに十分な電圧を印加する必要があります。電流はデバイスの順方向に印加されます。 これにより、電子は光の形でエネルギーを放出し、光子を放出します。

放出される光の波長は、半導体のバンドギャップによって異なります。 より高いバンドギャップの材料は、より短い波長がより多くのエネルギーを有するため、より短い波長を放射します。 より大きなバンドギャップを持つ材料の伝導には、より大きな電圧も必要です。 近赤外 LED の順方向電圧は 1.5 ～ 2.0 V ですが、短波長の紫外青色 LED の順方向電圧は 3.5 V です。

波長の可用性と効率の係数

市場の可能性、消費者の需要、業界標準の波長が、特定の波長が商業的に実現可能かどうかの主な決定要因となります。 これは、420 ​​～ 460 nm、480 ～ 520 nm、および 680 ～ 800 nm の波長範囲で最も顕著です。 これらの波長範囲には大量の用途がないため、これらの波長範囲用の LED デバイスを大量生産するメーカーはありません。 それにもかかわらず、これらの特定の波長を満たす製品をオーダ​​ーメイドで提供する中小規模のベンダーを見つけることは可能です。

各材料技術が最も効果的な波長領域は、各範囲のほぼ中心にある可能性があります。 半導体のドーピングレベルが理想的なレベルよりも上昇または下降すると、効率が低下します。 このため、青色 LED は緑色または近紫外 LED よりもはるかに多くの光を生成し、琥珀色は黄緑色 LED よりも多くの光を生成し、近赤外 LED は 660 nm より多くの光を生成します。 スペクトルの端ではなく中間を対象に設計することが常に良い選択肢となります。 さらに、材料技術の最前線にまたがらない商品を入手する方が簡単です。

LEDに電流と電圧を供給する

LED はダイオードであり、半導体であり、機能するには最小電圧が必要ですが、電流モードで動作する必要があります。 LED を DC モードで使用する場合、主に 2 つの方法があります。 電流制限抵抗の使用が最も簡単で最も一般的です。 抵抗器でのかなりの熱と電力の放散が、この技術の欠点です。 温度変化やデバイス間で電流が安定するためには、電源電圧が LED の順方向電圧よりも大幅に高い必要があります。

市販の既製 LED ドライバーがさまざまなサプライヤーから提供されています。 輝度制御の場合、通常、パルス幅変調原理を利用して機能します。

直列および並列に接続されたアレイに対して高電流および/または高電圧モードで LED をパルスする場合、一連の問題が発生します。 初心者の設計者にとって、5 A と 20 V を供給できる電流制御パルス ドライブを作成するのは現実的ではありません。パルスを発生する LED 用の特殊なツールを製造している会社は数社あります。

人が見ることができるアプリケーションの LED

LED が直接見られたり、発光体として利用されたりする状況では、ルーメンやカンデラでの正確な出力よりも正確な色の方がはるかに重要です。 脳は光の強さの変化に対して優れた調整を行いますが、人間の目は光の強さの変化に比較的無関心です。 たとえば、建物で LED ビデオ スクリーンを見ている平均的な人は、スクリーンの一部が直接軸上の部分と比較して 10 度から 20 度軸外で見られるため、輝度が 20% 低下することに気付かないでしょう。これは徐々に変化しますが、視界の端に向かうにつれて知覚されません。 対照的に、ある領域の LED の波長が他の領域の LED と 10 nm 異なる場合、人間の目は色の変化に気づき、煩わしいと感じます。

現在使用されているほとんどの白色 LED は、青色 LED に長波長の可視蛍光体を注入することによって作成されます。 太陽光とのスペクトルの類似性は、演色評価数 (CRI) によって測定されます。 現在、一般照明に使用されている LED のほとんどは CRI が 80 より高く、100 は太陽光に相当すると考えられます。 白色 LED は、CRI の進歩と光効率の向上により、ほとんどの照明用途で最も人気のある製品になりつつあります。

LEDの利点と用途

フィルタリングされた光と比較して、LED は波長スペクトルがより正確に指定されているため、単色アプリケーションに対していくつかの利点があります。 一般的な照明用途にフィルター付き白熱電球を採用すると、エネルギーの節約は 100 倍になる可能性があります。 交通信号や建築照明などのアプリケーションは、これによって大きな恩恵を受けます。 大きな発電機の代わりに、小さなソーラー パネルで低電力のポータブル高速道路 LED 標識に簡単に電力を供給できます。これは明らかな利点です。

一般に、LED はレーザーよりも安価で信頼性が高く、安価な電子機器を使用できる可能性があります。 LED は現在、米国と欧州連合の両方で別々に分類されています。 幸いなことに、レーザーやレーザー ダイオードとは異なり、LED には目の安全性に関する同様の問題や警告がありません。 一方で、LED を使用して、光学的に高密度で非常に小さく、高度にコリメートされたスポットを作成することは不可能です。 コンパクトな領域で非常に高い出力密度が必要なアプリケーションでは、ほぼ常にレーザーが必要になります。

現在、LED は幅広い分野や用途で利用されています (表 1)。 これらのデバイスは、レーザーやランプと比較して優れた信頼性、高効率、総システムコストの削減により、非常に経済的であり、消費者市場と産業市場の両方にとって魅力的です。 それぞれの独自の LED テクノロジーおよび/または色は、特定の用途のニーズを満たすために作成されています。