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【一陸技】精選300題_問036-発光ダイオード

LED(発光ダイオード)

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  会社の同僚たちと一陸技の勉強会をしています。
  勉強会では「合格精選300題 一陸技問題集」を使っています。
  本ブログでは勉強会で解いた問題の解説を掲載していきます。

合格精選300題 第一級陸上無線技術士試験問題集合格精選300題 第一級陸上無線技術士試験問題集
(1998/10)
吉川 忠久

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問036
次の空欄にあてはまる語句を答えよ。

pn接合ダイオードに[ア]バイアス電圧を加えると、空乏層の幅は[イ]なるので、n形領域の電子はp形領域の正孔はn形領域に注入され、それぞれ[ウ]キャリアとなる。これらのキャリアは拡散する間に[エ]キャリアと再結合するとき、エネルギーを[オ]として放出する。これがLEDの原理である。


LEDの原理に関する問題です。
とは言っても、本問題はLEDを理解していなくても解けます^^;

しかしまぁ、いちおうLEDについてちゃんと解説しておきます。


解説

LEDとは、半導体に注入された少数キャリアが多数キャリアと再結合するとき、
光を放出する光電効果(問031)を利用したpn接合ダイオードのことをいいます。

光電効果の1種である電界発光の原理を理解すれば、
LEDの根本原理が理解できます。
そして、電界発光の原理を理解するためには、
半導体中のエネルギー構造を理解すれば、わかりやすいと思います。


半導体のエネルギーバンド図

半導体中のエネルギー構造は下図のように、
伝導帯価電子帯禁制帯の3つのエネルギー帯で構成されます。


  バンド図


伝導帯とは電子が自由に動けるエネルギー帯であり、
価電子帯と比べてエネルギー準位が高くなります。
価電子帯とは電子が固定されて自由に動けないエネルギー帯であり、
伝導帯と比べてエネルギー準位が低くなります。

伝導帯と荷電子帯の間には禁制帯というエネルギー帯が存在し、
禁制帯では電子も正孔も存在しません。


電界発光

さて、ここから電界発光の話に移ります。

伝導帯の電子が価電子帯の正孔と再結合する場合、
価電子帯に移動しなければいけません。

エネルギーの高い伝導帯の電子が
エネルギーの低い価電子帯に移るためには、
持っているエネルギーを放出して、
エネルギーを低くしてやらなければなりません。

つまり、
電子が伝導帯から価電子帯に移る際に、
(電子と正孔が再結合する際に、)
電子の持っている余剰なエネルギーが
として放出されるのです。


  電界発光


この電子と正孔の再結合による光の放出は、
外部からの電界を契機として行われるため、
電界発光と呼ばれます。


LED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)

この電界発光を利用しものがLEDであり、
LEDとは再結合の際に可視光を発光するpn接合ダイオードのことをいいます。

順方向に電圧をかけることによって、
N型半導体中の電子がP型半導体に注入され正孔と再結合し、
また、P型半導体中の正孔がN型半導体に注入され電子と再結合することによって、
発光するというわけです。

逆電圧を加えても活発な再結合は行われないため、
発光できません。


  LED.gif


最後にLEDが発光する色について解説しておきます。

LEDが発光する色は、
半導体の禁制帯の幅によって決まってきます。

禁制帯の広い半導体ほど、
伝導帯の電子が価電子帯に移るときに、
多くのエネルギーを光として放出します。

放出するエネルギーの強度によって色が決まるというわけです。

ここで、光エネルギーEは振動数νに比例するので、
比例定数をhとすると次式で表せます。

 E = hν (h:プランク定数)

光速をcとすると、c=νλより、

 E = hc/λ

となります。

つまり、
禁制帯が広いLEDほど、電子は再結合のために
たくさんのエネルギーを放出しなければならないので、
上式より、波長が短い(λが小さい)光が出ます。
波長が短いほど、青色(紫色)に近い光がます。

一方、
禁制帯の狭いLEDほど、電子は再結合のために
少しのエネルギー放出をすればいいので、
波長が長い(λが大きい)光が出ます。
波長が長いほど、赤色に近い光が出ます。

青色の場合と赤色の場合の中間の波長ならば、
緑色の光が出ます。

禁制帯が狭ますぎて、波長が可視光の波長に満たない場合、
目には見えない不可視光を放出することになります。


参考文献

半導体素子半導体素子 - 標準電気工学講座 (20)
(1980/12)
石田 哲朗清水 東

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