LEDの発光原理

全て充電式作業灯、 携帯用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、まず半導体の基本知識を理解する必要があります。半導体材料の導電特性は、導体と絶縁体の中間です。その特徴は次のとおりです。半導体が外部の光や熱条件によって刺激されると、導電能力が大きく変化します。純粋な半導体に少量の不純物を加えると、電気を伝導する能力が大幅に増加します。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、その外殻電子は4つです。シリコンまたはゲルマニウム原子が結晶を形成すると、隣接する原子が互いに相互作用し、外殻電子が2つの原子によって共有され、結晶内に共有結合構造が形成されます。これは、拘束能力がほとんどない分子構造です。室温（300K）では、熱励起により、一部の外殻電子が共有結合から切り離されて自由電子になるのに十分なエネルギーを得ます。このプロセスは、固有励起と呼ばれます。電子が束縛から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「穴」と呼ばれます。穴の存在は、半導体と導体を区別する重要な特徴です。

真性半導体にリンなどの五価不純物を少量添加すると、他の半導体原子と共有結合を形成した後、余分な電子を持つことになります。この余分な電子は、結合を解いて自由電子になるのに非常に小さなエネルギーしか必要としません。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。一方、真性半導体にホウ素などの三価元素不純物を少量添加すると、外層に3つの電子しか持たないため、周囲の半導体原子と共有結合を形成した後、結晶中に空孔が生じます。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、接合部で自由電子と正孔の濃度に差が生じます。電子と正孔はともに濃度が低い方へ拡散し、電荷を帯びているが移動できないイオンが残ります。このイオンがN型領域とP型領域の本来の電気的中性を破壊します。これらの不動の荷電粒子はしばしば空間電荷と呼ばれ、N領域とP領域の界面付近に集中して非常に薄い空間電荷領域を形成します。この領域はPN接合として知られています。

PN接合の両端に順方向バイアス電圧（P型接合の一方の側に正電圧）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、その際に余剰エネルギーが光子として放出されます。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。したがって、LEDの色は使用される基本材料によって決まります。