LEDの発光原理

全て充電式作業灯、 ポータブルキャンプライトそして多機能ヘッドランプLED電球タイプを使用します。ダイオードLEDの原理を理解するには、まず半導体の基礎知識を理解する必要があります。半導体材料の導電性は、導体と絶縁体の中間です。その特徴は、半導体が外部光や熱条件によって刺激されると、その導電能力が大きく変化することです。純粋な半導体に少量の不純物を添加すると、電気伝導能力が大幅に向上します。シリコン（Si）とゲルマニウム（Ge）は、現代の電子機器で最も一般的に使用されている半導体であり、それらの外殻電子は4個です。シリコンまたはゲルマニウム原子が結晶を形成する際、隣接する原子同士が相互作用し、外殻電子が2つの原子によって共有されます。これにより、結晶内に共有結合構造が形成されます。これは、束縛能力のほとんどない分子構造です。室温（300K）では、熱励起によって一部の外殻電子が十分なエネルギーを得て共有結合から離脱し、自由電子になります。このプロセスは固有励起と呼ばれます。電子が解放されて自由電子になると、共有結合に空孔が残ります。この空孔は正孔と呼ばれます。正孔の出現は、半導体と導体を区別する重要な特徴です。

リンなどの五価不純物を真性半導体に少量添加すると、他の半導体原子と共有結合を形成した後に余分な電子を持つようになります。この余分な電子は、わずかなエネルギーで結合を解いて自由電子になります。このような不純物半導体は電子半導体（N型半導体）と呼ばれます。しかし、ホウ素などの三価元素不純物を真性半導体に少量添加すると、外層に電子が3つしかないため、周囲の半導体原子と共有結合を形成した後に結晶内に空孔が発生します。このような不純物半導体は正孔半導体（P型半導体）と呼ばれます。N型半導体とP型半導体を組み合わせると、接合部における自由電子と正孔の濃度に差が生じます。電子と正孔はどちらも濃度の低い方に向かって拡散し、帯電しているが動かないイオンが残り、N型領域とP型領域の本来の電気的中性を破壊します。これらの動かない荷電粒子は空間電荷と呼ばれることが多く、N 領域と P 領域のインターフェース付近に集中して、PN 接合として知られる非常に薄い空間電荷領域を形成します。

PN接合の両端に順方向バイアス電圧（P型接合の片側に正電圧）を印加すると、正孔と自由電子が互いに動き回り、内部電界が発生します。新たに注入された正孔は自由電子と再結合し、過剰なエネルギーを光子の形で放出することがあります。これがLEDから発せられる光です。このようなスペクトルは比較的狭く、材料ごとにバンドギャップが異なるため、放出される光子の波長も異なります。そのため、LEDの色は使用される基本材料によって決まります。