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LED（発光ダイオード）とは

THEME 08 デバイスと回路 · 光半導体Light Emitting Diode
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LED（発光ダイオード）とは、電気エネルギーを直接光エネルギーへ変える、pn接合を持つ半導体素子です。 順方向へ電圧をかけると、pn接合の部分で電子が持っていたエネルギーが効率よく光へ移ります1。

電子と正孔が結び付くと、余ったエネルギーが光になる

Section titled “電子と正孔が結び付くと、余ったエネルギーが光になる”

LEDの構造は、ダイオードと同じところから始まります。素子の基本構造は、p型半導体とn型半導体を接合したpn接合の半導体です2。ここに順方向の電圧をかけると、正孔と電子がpn接合へ向かって動き、出会って結び付きます。結び付いたときに余るエネルギーが光へ姿を変えて発光し、この現象を発光再結合と呼びます。

LEDは、半導体に電流を流して明るく光るという、それまでの明かりとは仕組みの異なる現代のあかりです3。火、ろうそく、ガス灯、アーク灯、白熱電球、蛍光灯と続いてきた系譜の、最も新しい世代にあたります。ロームは、電球や蛍光灯がフィラメントの発熱や放電現象を経て電気エネルギーを間接的に光へ変えるのに対し、LEDは電気エネルギーを直接光へ変えるため、電気から光への変換効率が高い製品だとしています。

中継ぎの段を減らすほど、途中で失う分が小さくなります
電気から光までに、何段はさむかを比べます白熱電球電気熱光フィラメントの発熱を経ます蛍光灯電気放電光放電現象を経ますLED電気pn接合での発光再結合光中継ぎの段がここだけですロームは、LEDが電気エネルギーを直接光へ変えるため変換効率が高いとしています
3つの光源の違いは、電気が光になるまでに何段はさむかにあります。LEDでは、pn接合での発光再結合が1段で完結します。

光るかどうかも色も、材料で決まる

Section titled “光るかどうかも色も、材料で決まる”

整流に使うシリコンのダイオードも、LEDも、基本構造はpn接合で、材料だけが入れ替わります。通常のダイオードが主に使うSiやGeのような単元素の半導体は、電子と正孔が結び付いても発光を伴いにくいため2、LEDには結び付くときに発光を伴いやすいGaN、GaAs、InPなどの化合物半導体を使います。化合物半導体の利用先には、半導体レーザとLEDがあります。

発光色も材料しだいです。半導体の種類と添加する材料が光の色（波長）を定め1、GaAs系は赤外から赤の側、GaN系は緑から青の側になります。光へ移るときのエネルギー差、いわゆるバンドギャップが大きい材料ほど、出る光の波長は短くなります。

段差の大きさが、そのまま色になります
pn接合は共通で、材料が出口を分けます材料が2通りありますSi・Ge（単元素）結合時に発光を伴いにくいGaN・GaAs・InP（化合物）結合時に発光を伴いやすいその先段差の大きさが波長を決めます段差GaAs系赤外から赤GaN系緑または青段差が大きいほど波長は短くなります赤から青へ向かいます色の割り当てはJEITA半導体用語集、段差と波長の関係はロームの記述によります
発光色を左右するのは材料です。バンドギャップの段差が大きいほど波長は短くなり、赤から青の側へ移ります。

白色は、色を重ねて作る

Section titled “白色は、色を重ねて作る”

白色LEDという名前は白く光る素子を連想させますが、中身は色の足し算です。白色LEDは波長の異なる光を何色か重ねて白色光をつくるLEDで1、重ね方は2種類あります。1つは青色や近紫外のLEDの光を蛍光体へ当てて混ぜる方法、もう1つは赤・緑・青のLEDを同時に光らせて混ぜる方法です。

2つの方式は用途で使い分けます。ロームは、青色LEDにその補色にあたる黄色の蛍光体を重ねる方式を、ほかの作り方より構造が単純で効率も高く、いま主流の座にあるとしています4。同社は、光の三原色を組み合わせる方式は照明よりもフルカラーの表示装置での採用が中心だとしています。1つの面をむらなく照らす照明では1個の光源へ変換層を重ねる方が簡単で、色ごとに点を光らせたい表示装置では3色を別々に持つ方が向くためです。

再結合の一部は、光ではなく熱になる

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LEDは電気を直接光へ変えますが、変換の途中で一部は熱の側へ回ります。順電圧をかけると電子と正孔の再結合が起こって発光します5。再結合には、光を伴う発光再結合と熱になる非発光再結合の2通りがあり、発光再結合では失われたエネルギーが光に、非発光再結合では熱になります。LED製品に放熱の設計が要るのは、この2通りの行き先があるためです。

浜松ホトニクスの技術資料は、発光効率を上げる構造として、活性層をGaAs、その両側のクラッド層をGaAlAsとするダブルヘテロ構造を挙げています。送り込まれた電子と正孔がヘテロ障壁の内側に濃く集まるため、結び付く確率が上がって発光効率が高くなります5。

新しさの中心は、青色と、それが可能にした白色

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環境省のあかり未来計画によれば、1960年代に赤色と黄緑色のLEDが作られ、早い時期から表示灯の光源として実用に入っていました6。その後1993年に青色LEDが開発され、緑色の開発とあわせて光の三原色が揃い、白色化やフルカラー化が現実になりました。

JEITA半導体部会の解説では、1980年から90年ごろまで、LEDの居場所は電子機器の表示灯でした。90年代後半に輝度の高い青色LEDが発明され、赤・緑・青のいずれもが急速に明るくなりました7。蛍光体を使う白色LEDは1997年に登場し、1998年には豊田合成から高輝度の青色LED（3000mcd）と緑色LED（8000mcd）が世に出ました。

開発の年と発売の年は別の出来事ですが、どちらの記述でも、LEDの新しさの中心は青色と、それが可能にした白色にあります。

照明では、電球の差し替えから器具ごとの選択へ移った

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環境省は、電球形LEDランプをほぼ同じ明るさの白熱電球と比べると、消費電力を約85パーセント抑えられ、定格寿命が40,000時間のタイプであれば寿命は白熱電球の40倍になるとしています6。

LED電灯器具は、ほとんどが光源と器具を一体化した専用設計です8。器具から外した光源を単体で光らせられる製品が限られるため、照明器具の光源の明るさ（全光束）の測定が難しくなります。そこで省エネ基準のエネルギー消費効率は、消費電力量あたりの全光束から、消費電力量あたりの照明器具全光束へ変わりました。目標年度は2020年度です。電球1個を差し替えて済む世界から、器具ごと選ぶ世界へ移ったところに、LED照明の製品としての特徴があります。

よくある質問（FAQ）

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LED（発光ダイオード）とは何ですか？

電気エネルギーを直接光エネルギーへ変える、pn接合を持つ半導体素子です。順方向へ電圧をかけると、pn接合の部分で電子が持っていたエネルギーが効率よく光へ移ります。

電球や蛍光灯とはどこが違いますか？

光になるまでの経路の長さが違います。電球や蛍光灯はフィラメントの発熱や放電現象という中継ぎを経て電気エネルギーを間接的に光へ変え、LEDは電気エネルギーを直接光へ変えます。

光る色はどうやって決まりますか？

材料側で定まります。半導体の種類と添加する材料が光の色（波長）を定め、GaAs系なら赤外から赤の側、GaN系なら緑から青の側になります。光へ移るときのエネルギー差、いわゆるバンドギャップが大きい材料ほど、出る光の波長は短くなります。

なぜLEDには化合物半導体を使うのですか？

再結合のときに光を伴いやすい材料が要るためです。SiやGeのような単元素の半導体は電子と正孔が結び付いても発光を伴いにくいので、LEDにはGaN、GaAs、InPなど発光を伴いやすい化合物半導体を使います。

白色LEDはどうやって白く光りますか？

複数の色を重ねて白を作っています。白色LEDは波長の異なる光を何色か重ねて白色光をつくるLEDで、青色や近紫外のLEDの光を蛍光体へ当てる方式と、赤・緑・青のLEDを同時に光らせる方式の2種類があります。

流した電気はすべて光になりますか？

熱になる分もあります。再結合には、光を伴う発光再結合と、熱になる非発光再結合の2通りがあります。

データシートのピーク波長は見た目の色と同じですか？

別の指標です。波長の規格にはλP（ピーク波長）とλD（主波長）の2種類があり、実際に目で見たときの色に相当するのはλDです。

比較・違いを学ぶ

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