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発光ダイオード(はっこうダイオード)とは順方向に電圧を加えた際に発光する半導体素子のことである。LED(エルイーディー:Light Emitting Diode)とも呼ばれ、発光原理はエレクトロルミネセンス(EL)効果を利用している。有機EL(Organic light-emitting diodes(OLEDs))も分類上はLEDに含まれる。

寿命は白熱電球に比べてかなり長く、素子そのものはほぼ半永久的に使える。LEDが使用不能になるほとんどの場合は電極部分の金属の酸化・劣化、過熱や衝撃で内部の金線が断線するものである。製品寿命は封止樹脂の劣化により透光性が落ち、発光量が一定以下になった時点をいう。

発光色は用いる材料によって異なり赤外線領域から可視光域、紫外線領域で発光するものまで製造することができる。イリノイ大学のニック・ホロニアック()によって1962年に最初に開発された。今日では様々な用途に使用され、今後蛍光灯や電球に置き換わる光源として期待されている。

◆ 原理

発光ダイオードは、半導体を用いたpn接合と呼ばれる構造で作られている。発光はこの中で電子の持つエネルギーを直接、光エネルギーに変換することで行われ巨視的には熱や運動の介在を必要としない。電極から半導体に注入された電子と正孔は異なったエネルギー帯(伝導帯と価電子帯)を流れ、PN接合部付近にて禁制帯を越えて再結合する。再結合の際にほぼ禁制帯幅(バンドギャップ)に相当するエネルギーが光子、すなわち光として放出される(詳しくはPN接合の項を参照)。

放出される光の波長は材料のバンドギャップによって決められ、基本的に単一色で自由度が低いが青色、または紫や紫外線を発する発光ダイオードの表面に蛍光塗料を塗布することにより白色や電球色など様々な中間色の発光ダイオードも作られている。

◆ 特性

◇ 電気的特性

他の一般的なダイオードと同様、極性を持っておりカソード(陰極)に対しアノード(陽極)に正電圧を加えて使用する。電圧が低い間は電圧を上げていってもほとんど電流が増えず、発光もしない。ある電圧を越えると電圧上昇に対する電流の増え方が急になり、電流量に応じて光を発するようになる。この電圧を順方向降下電圧(vf)というが、一般的なシリコンダイオードと比較して発光ダイオードは順方向降下電圧が高い。発光色によって違うが、赤外では1.4V程度。赤色、橙色、黄色、緑色では2.1V程度。白色、青色では3.5V程度。紫外線LEDは最もvfが高く、4.5〜6V必要。

発光時の消費電流は表示灯用途では数〜50mA程度だが照明用途のものでは消費電力が数W単位の大電力の発光ダイオードも市販されており、駆動電流が1Aを超える製品もある。

逆方向に電圧を掛けた場合の耐電圧は通常のシリコンダイオードより遙かに低く通常はマイナス5V程度であり、これを超えると破壊されてしまう。従って、整流用途には使用することはできない。

◇ 光の特性

蛍光灯や白熱灯など他の多くの光源と異なり、不要な紫外線や赤外線を含まない光が簡単に得られる。このため紫外線に敏感な文化財や芸術作品や、熱照射を嫌う物の照明に用いられる。入力電圧に対する応答が早く通信などにも利用されるほか、照明に用いた場合は点灯と同時に最大光量が得られる。

◇ 物理的特性

・ 構造が簡単なため大量生産が可能で、安価(赤色LEDで1個5円〜10円程度)。

・ 電球と違いフィラメントを使わないため軽量で衝撃に強く長寿命であり、故障の発生する頻度も低い。

◆ 駆動方式

基本的に、定電流で駆動する。

◇ 電流制限抵抗

定電圧電源に接続して使用する場合は、抵抗器を直列に接続する事で電流をほぼ一定にできる。

電源電圧をEとして電流Iを流すには適切な抵抗値はおよそ(E-V_F)/IとなるがLEDの順方向降下電圧(V_F)には個体差があり抵抗にかかる電圧が変わるため、実際に製造された製品に流れる電流は設計時に想定した値に比べて多少のバラツキが生じる。

抵抗も電力を消費する為、電力効率は良くない。

◇ 定電流回路

適切な値の定電流ダイオード(CRD)を直列に接続する等、能動素子で定電流(負荷)回路を構成する事により自動車やバイクのバッテリー等、電源電圧がある程度変動する環境下でも対応できる。CRDを用いる場合にはCRD自体にも一定以上の電圧飽和電流値10〜15mA品の場合、CRD素子に印加する電圧が5〜10Vを超えた辺りから電流値が飽和し始める。詳しくは、各メーカーが発行しているデーターシートを参照の事。がかかるようにしないと、定電流動作ができない。回路は単純であるが、電源電圧の変動を電力を消費する事により吸収するため、電力効率は悪い。

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