発光ダイオードのしくみ

一般にLEDと呼ばれる発光ダイオードは、エレクトロニクスの世界では真の未知のヒーローです。彼らはあらゆる種類のデバイスで多くの異なる仕事をします。それらはデジタル時計に数字を形成し、リモコンから情報を送信し、時計を点灯させ、アプライアンスの電源がオンになったときに通知します。一緒に集められて、それらはジャンボテレビ画面上で画像を形成したり、信号機を照らしたりすることができます。

基本的に、LEDは電気回路に簡単に収まる小さな電球です。しかし、白熱電球とは異なり、燃え尽きるフィラメントがなく、消費電力が少なく、特に熱くなりません。それらは、半導体材料内の電子の動きによってのみ照らされ、標準のトランジスタと同じくらい長持ちします。 LEDの寿命は、白熱電球の短い寿命を数千時間上回っています。これらの利点から、小さなLEDは光に使用される最も人気のある技術の一つである液晶テレビ。

LEDには、従来の白熱灯に比べていくつかの利点がありますが、その主な利点は効率です。白熱電球、光、製造工程が（フィラメントが点灯に温めなければならない）多くの熱を発生させることを含みます。ランプをヒーターとして使用しない限り、このエネルギーは完全に無駄になります。これは、利用可能な電力の大部分が可視光の生成に向けられていないためです。 LEDは、比較的言えば、ほとんど熱を発生しません。電気エネルギーのはるかに高い割合が直接光を生成することになり、これにより電力需要が大幅に削減されます。

ワットあたり、LEDは通常の白熱電球よりも多くのルーメン（または可視光の量）を出力します。発光ダイオードは、白熱灯よりも高い発光効率（電気が可視光に変換される効率）を備えています。60ワットの白熱電球は750〜900ルーメンを生成できますが、LED電球から同じ出力を得ることができるのは6〜 8ワット。また、同じLED電球は25,000時間持続しますが、60ワットの白熱灯は約1,200時間しか点灯しない可能性があります。言い換えれば、1つのLED電球は、21個の60ワットの白熱電球が連続して燃焼する限り持続する可能性があります[出典：EarthEasy ]。

最近まで、LEDは高度な半導体材料を中心に構築されているため、ほとんどの照明アプリケーションに使用するには高額でした。半導体デバイスの価格は2000年以降急落しましたが、LEDは、さまざまな状況でより費用効果の高い照明オプションになりました。それらは前もって白熱灯よりも高価かもしれませんが（白熱電球の1ドルに対して約5ドル）、長期的にはより低いコストでより良い購入をすることができます。いくつかの企業は、白熱灯やコンパクト蛍光灯と競合するように設計されたLED電球の販売を開始しました。これは、明るい光と驚くべきエネルギー効率の長寿命を約束します。

この記事では、これらのユビキタスなブリンカーの背後にあるテクノロジーを検証し、その過程で電気と光のいくつかのクールな原理を明らかにします。

コンテンツ

1. ダイオードとは何ですか？
2. ダイオードはどのようにして光を生成できますか？
3. LED電球とCFLおよび白熱灯
4. LEDテレビと発光ダイオードの未来

ダイオードは最も単純な種類の半導体デバイスです。大まかに言えば、半導体は電流を伝導するさまざまな能力を持つ材料です。ほとんどの半導体は、不純物（別の材料の原子）が追加された貧弱な導体でできています。不純物を加えるプロセスはドーピングと呼ばれます。

LEDの場合、導体材料は通常、アルミニウム-ガリウム-ヒ素（AlGaAs）です。純粋なアルミニウム-ガリウム-ヒ素では、すべての原子が隣接する原子と完全に結合し、電流を伝導するための自由電子（負に帯電した粒子）を残しません。ドープされた材料では、原子を追加するとバランスが変化し、自由電子が追加されるか、電子が移動できる穴が作成されます。これらの変更のいずれかにより、材料の導電性が高まります。

余分な電子を持つ半導体は、余分な負に帯電した粒子を持っているため、N型材料と呼ばれます。N型材料では、自由電子は負に帯電した領域から正に帯電した領域に移動します。

余分な穴のある半導体は、効果的に余分な正に帯電した粒子を持っているため、P型材料と呼ばれます。電子は穴から穴へとジャンプし、負に帯電した領域から正に帯電した領域に移動します。その結果、穴自体が正に帯電した領域から負に帯電した領域に移動しているように見えます。

ダイオードは、両端に電極が付いた、P型材料のセクションに結合されたN型材料のセクションで構成されます。この配置は、一方向にのみ電気を伝導します。ダイオードに電圧が印加されていない場合、N型材料からの電子がP型材料からの穴を層間の接合部に沿って埋め、空乏ゾーンを形成します。空乏ゾーンの穴の全てがそう電子の遊離電子または空のスペースが存在しない、充填され、電気が流れることができない- 、半導体材料は、その元の絶縁状態に戻されます。

空乏層を取り除くには、電子をN型領域からP型領域に移動させ、正孔を逆方向に移動させる必要があります。これを行うには、ダイオードのN型側を回路の負の端に接続し、P型側を正の端に接続します。 N型材料の自由電子は負極に反発されて正極に引き寄せられます。 P型材料の穴は反対方向に移動します。電極間の電圧差が十分に大きい場合、空乏ゾーンの電子はそれらの穴から押し出され、再び自由に動き始めます。空乏ゾーンが消え、電荷がダイオードを横切って移動します。

P型側を回路のマイナス側に接続し、N型側をプラス側に接続して逆方向に電流を流そうとすると、電流が流れません。N型材料の負の電子は正極に引き付けられます。P型材料の正極は負極に引き付けられます。正孔と電子がそれぞれ間違った方向に移動しているため、接合部に電流は流れません。空乏ゾーンが増加します。（プロセス全体の詳細については、半導体のしくみを参照してください。）

この設定での電子と正孔の相互作用には興味深い副作用があります-それは光を生成します！

光は、原子が放出できるエネルギーの一形態です。それは、エネルギーと運動量を持っているが質量を持たない多くの小さな粒子のようなパケットで構成されています。光子と呼ばれるこれらの粒子は、光の最も基本的な単位です。

電子の移動の結果として光子が放出されます。原子では、電子は原子核の周りの軌道を移動します。異なる軌道の電子は異なる量のエネルギーを持っています。一般的に言って、より大きなエネルギーを持つ電子は、原子核から遠く離れた軌道を移動します。

電子がより低い軌道からより高い軌道にジャンプするためには、何かがそのエネルギーレベルを上げる必要があります。逆に、電子は、より高い軌道からより低い軌道に落ちるときにエネルギーを放出します。このエネルギーは光子の形で放出されます。より大きなエネルギー降下は、より高い周波数によって特徴付けられるより高いエネルギーの光子を放出します。

前に見たように、ダイオードを横切って移動する自由電子は、P型層から空の穴に落ちる可能性があります。これには、伝導帯からより低い軌道への降下が含まれるため、電子は光子の形でエネルギーを放出します。これはどのダイオードでも起こりますが、ダイオードが特定の材料で構成されている場合にのみフォトンを見ることができます。たとえば、標準的なシリコンダイオードの原子は、電子が比較的短い距離を落下するように配置されます。その結果、光子の周波数は非常に低いため、人間の目には見えません。光子スペクトルの赤外線部分にあります。もちろん、これは必ずしも悪いことではありません。赤外線LEDは、とりわけリモコンに最適です。

デジタル時計の数字を照らすものなどの可視発光ダイオード（VLED）は、伝導帯と下部軌道の間のギャップが広いことを特徴とする材料でできています。ギャップのサイズは、光子の周波数を決定します。つまり、光の色を決定します。 LEDはリモコンから電子機器のデジタルディスプレイまであらゆるものに使用されていますが、可視LEDは、その長寿命と小型サイズのおかげで人気があります。 LEDに使用されている材料に応じて、赤外線、紫外線、およびその間の可視スペクトルのすべての色で光るように構築できます。

すべてのダイオードは光を放出しますが、ほとんどのダイオードはそれをあまり効果的に行いません。通常のダイオードでは、半導体材料自体が多くの光エネルギーを吸収することになります。LEDは、多数の光子を外側に放出するように特別に構築されています。さらに、それらは特定の方向に光を集中させるプラスチック電球に収容されています。ダイオードからの光のほとんどは電球の側面で跳ね返り、丸い端を通って進みます。

何十年もの間、100ワットの白熱電球が廊下や寝室を照らしてきました。 60ワットの白熱灯は、読書灯やクローゼットからより柔らかな光を放っています。しかし、白熱灯は非効率的で、熱として多くのエネルギーを浪費し、蛍光灯よりも寿命が短くなります。最近、より効率的なコンパクト蛍光（CFL）電球が人気のある代替品になりました。白熱灯が平均約1,200時間持続する場合、CFLは10,000時間持続する可能性があります[出典：EarthEasy ]。残念ながら、CFLには有毒な水銀が含まれているため、潜在的に危険であり、廃棄するのが困難です。

LED電球を入力してください。 LEDは、有毒な水銀の欠点なしに、CFLの利点（低消費電力と長寿命）を提供します[出典：Scheer andMoss ]。たとえば、60ワットの白熱電球は、年間150ドル以上の電力を消費し、約800ルーメンの光を提供します。同等のコンパクト蛍光灯は15ワット未満を使用し、年間約35ドルの電力しかかかりません。 LED電球はさらに優れており、約8.5ワットの電力を消費し、年間約21ドルの費用がかかり、25,000時間以上持続します[出典：EarthEasy ]。年間でたった8,760時間しかありません–平均的な家でLED電球がどれくらい続くか想像してみてください！

それはLEDの音をかなり素晴らしいものにします-そしてそれらはそうです-しかし白熱灯とコンパクト蛍光灯がまだ存在している理由があります。最大の理由は価格です。 LED電球の価格は近年下がっていますが、LED電球は他のオプションよりも高価です。ただし、寿命が長く、電力使用量が劇的に少ないため、参入障壁が高くなります。

高コストの障壁に加えて、LEDは高温に対して脆弱です。 LED回路が熱くなりすぎると、この記事で前述した接合部をより多くの電流が通過します。接合部が熱くなりすぎると、電球が焼損します[出典：LEDマガジン]。また、LEDには水銀が含まれていませんが（CFL電球とは異なり）、鉛やヒ素などの他の危険な元素が含まれている可能性があります[出典：Scheer andMoss ]。さらに、ある研究では、LED電球の使用により光害が増加することがわかりました[出典：Brady ]。

白熱灯の外観を好む人もいます。黄色がかったCFL電球やLEDの青みがかった明るさよりも暖かいと感じます。照明の種類の違いには多少の調整が必要ですが、LEDはさまざまな色で利用できます。LEDは（CFLとは異なり）調光可能であり、植物の生命に害を及ぼす可能性のある熱を発生させることなく大量の光を効率的に放出するため、植物の成長を促進するのに最適です。

CFLと白熱電球はエンクロージャーの色に制限されていますが、一部のLED電球は数百万色を発光するように変更できます。これらの電球は通常、白色LED電球よりも高価ですが、時間帯に応じて色が変わるようにプログラムできるため、環境をより細かく制御できます。

LEDは、デジタル時計の文字盤を照らす初期の頃から長い道のりを歩んできました。2000年代には、LCD TVが高解像度市場を引き継ぎ、古い標準解像度のCRTテレビを大きく上回りました。LCDディスプレイは、重量が100ポンド（45.4キログラム）をはるかに超えるHDリアプロジェクションセットをはるかに超える大きな一歩でした。しかし、LED技術は市場を変えました。LCD TVは、大規模なリアプロジェクションセットよりもはるかに薄く軽量でしたが、それでも冷陰極蛍光管を使用して、画面を構成するピクセルに白色光を投影していました。それらはテレビに重量と厚みを加えます。LEDは両方の問題を解決しました。

厚さわずか1インチの巨大なフラットスクリーンテレビを見たことがありますか？おそらくLEDテレビでした。ここで頭字語が少し混乱します。画面自体が液晶で構成されているため、これらのLEDTVは依然としてLCDTVです。技術的には、LEDバックライト付き液晶テレビです。蛍光灯の代わりに、LEDは画面の後ろから光を照らし、ピクセルを照らして画像を作成します。 LEDのサイズが小さく、消費電力が少ないため、LEDバックライト付きテレビは通常のLCDセットよりもはるかに薄く、エネルギー効率も高くなっています。また、より広い色域を提供し、より鮮やかな画像を生成できます。

LEDバックライトセットにはいくつかの異なるタイプが市場に出回っていますが、すべてが同じように作られているわけではありません。多くのセットは、ディスプレイ全体に光を当てるために白色LEDエッジ照明を使用しています。これらのセットによってもたらされる唯一の本当の利点は薄さです。一方、RGB LEDバックライトセットは、色を改善します。一部の構成では、ローカル調光と呼ばれる手法も使用できます。この手法では、ディスプレイのさまざまな部分のLEDを個別に明るくしたり暗くしたりして、よりダイナミックな画像を作成できます[出典：Morrison]。これは、CFLに対するLEDのもう1つの大きな利点を浮き彫りにします。LEDは実際には瞬時にオンとオフを切り替えることができるため、暗いシーンで素晴らしい黒レベルを生成します。テレビの使用中は白色蛍光灯を点灯したままにする必要があるため、暗いシーンでは一部の光がにじんで画像を明るくする傾向があります。

最新のLEDディスプレイのいくつかは、有機発光ダイオード、またはOLEDで作られています。これらの半導体の作成に使用される有機材料は柔軟性があり、科学者は曲げることができるライトやディスプレイを作成できます。一部のメーカーは、より小さなOLEDスクリーンを使用するスマートフォンやその他のデバイスの製造をすでに開始しています。このテクノロジーにより、より優れたより大きなディスプレイが可能になるため、これまで画面を見つけることができなかった場所でそれらが表示されるようになる可能性があります。OLEDを使用すると、個々のピクセルを完全にオフにして、視聴者に真の黒を見せることもできます。

初版：2002年1月31日

LEDは何の略ですか？

LEDは何に使用されますか？

LEDライトはどのくらい持続しますか？

どのライトソケットでもLED電球を使用できますか？

LED電球はそれだけの価値がありますか？

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