光デバイス／発光ダイオード

４．発光ダイオードの原理

　発光ダイオードは基本的にはｐ型半導体とｎ型半導体を接合させたｐｎ接合からできていて、このｐ側半導体とｎ側半導体にそれぞれ電極を着けただけの単純な構造をもっています。この電極に電源をつないでｐｎ接合に電流を流すと発光が起きます。

　それではｐｎ接合に電池などの直流電源をつなぐとどうなるか考えてみます。図４－１（ａ）はｐｎ接合の両側に電圧がかかっていない場合のエネルギーバンド図を示しています。エネルギーバンド図については別に詳しく説明しますが、ここでは半導体の中の電位の変化を示す図と考えてください。ただ普通と逆にマイナス（負）電位を上方に描く決め事にしたがっています。この場合、マイナスの電荷をもつ電子が上から下に向かって流れます。つまり電子の流れが水の流れのように自然にみえるように描いた電位の図です。プラスの電荷をもつ正孔は電子と逆に図の下から上に流れることになります。

　両方の電極を電線でつないで短絡（ショート）するとｐ型半導体とｎ型半導体の間にかかる電圧はゼロになります。このとき電位図は図４－１（ａ）に示すようになり、接合部分には障壁（バリア）といわれる段差ができます。これはｐｎ接合全体で電荷が中性にならなければいけないという条件から発生します。

　それではｐ側に電池のマイナス極を、ｎ側にプラス極をつないでみます。電位図はどうなるかというと、図４－１（ｂ）のようになります。段差（障壁の高さ）はさらに大きくなり、電子はこれを越えて流れることは難しくなります。正孔も同じように流れにくくなります。つまりこのような方向に電池をつないでも電流はほとんど流れません。したがって発光も起きません。

　では電池を反対につないだらどうでしょう。ｐ側にプラス極を、ｎ側にマイナス極をつなぎます。電位図は図４－１（ｃ）のようになります。障壁は短絡状態のときより低くなり、ｎ側の電子はｐ側に流れ易くなり、逆にｐ側の正孔はｎ側に流れ易くなります。電圧がゼロのときとちがって、電子はどんどん電源から供給されますから、ｐｎ接合を通して電流が流れ続けます。

　こうなるとｐｎ接合付近では、近いところに電子と正孔がたくさんいることになります。電子と正孔はマイナスとプラスの電荷をもっているので互いに引き合って図４－１（ｃ）に示すように結合（再結合といいます）します。このときエネルギーが光として放出され、発光が起きます。電子は消滅しても電源からどんどん供給されますから、発光も電源がつないである限りずっと続きます。これが発光ダイオード（ＬＥＤ）が発光する原理です。

　電子と正孔を再結合させるだけなら、なにもｐｎ接合はいらないのではないかという疑問は生じないでしょうか。確かに単体の一様な半導体の両端に電極を着ければ電流を流すことはできます。電子と正孔も再結合することが可能です。ただし一様な半導体内では電子の密度と正孔の密度はその積が一定でなければなりません。電子密度を大きくすると正孔密度は減ってしまいます。

　この関係は電源をつないで電流を流してもあまり大きくは変えることができないので、単体の半導体では十分な量の電子と正孔が結合できません。ところがｐｎ接合ではｎ側には電子が、ｐ側には正孔が大量にいて、これが接合部分に供給されますから多くの再結合が起こり、強い発光を起こすことが可能になります。半導体ではこのようにｎ型、ｐ型が作れ、これを接合させることができるため、発光ダイオードが実現できるのです。

　さて以上の説明では電子がエネルギーを失い、それが光に変わるのだと言っているに過ぎません。なぜ光になるのかはこれだけではわかったとは言えないでしょう。この点をもう少し考えてみます。

　光は電磁波の一種です。放送や無線通信に使われる電波は可視光より波長が長く目に見えませんが、電磁波という点では同じものです。電波は導体のアンテナから空中に出ます。導体中を流れる電流が変化すると、電磁誘導という現象によって周辺の空間の電界、磁界が変化し、条件が整ったとき、この変化が空間を伝わっていくことができます。

　それでは半導体からどうして光が出るのでしょうか。上記のように電子と正孔が結合するということは、言い換えれば、原子から離れて自由に動ける電子が原子の価電子に戻るということです。この電子の消滅の際に条件が整えば、原子から電磁波が放出されます。

　このような原子のまわりで起きる現象は量子力学を使わないと理解できないのですが、これについては別に紹介します。