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発光ダイオード
赤色発光ダイオード
発光部の拡大図。+/-で示されるのが端子の極性。発光素子の乗っている側のリードがカソード（負極）の製品が多い。
陽極（アノード、anode）と陰極（カソード、cathode）の形状の例と回路記号
上図発光ダイオードの回路図と、電子・正孔の分布を模式的に描いた図。
下図発光ダイオードのバンド構造と、それによる発光過程の説明。
横軸が距離または位置、縦軸が電子または正孔のポテンシャルエネルギー（エネルギー準位）を表す。
半導体ダイオードの電流-電圧特性。
LEDも基本的には同様の特性を示す。
図示した通り、印加電圧がVfを超えると急に電流が流れ始める非直線特性を持つ。
抵抗を直列に入れて傾きを緩やかにするか、能動素子で定電流制御する必要がある。
1個（共通）の陽極と2個の陰極をもつ2色LED
発光ダイオード（はっこうダイオード、英:light emitting diode、LED）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。
1962年、ニック・ホロニアックにより発明された[1]。発明当時は赤色のみだった。
黄色は1972年にジョージ・クラフォード（英語版）によって発明された。
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。
また、有機エレクトロルミネッセンス（OLEDs[2]、有機EL）も分類上、LEDに含まれる。
原理[編集]
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。
再結合時に、バンドギャップ（禁制帯幅）にほぼ相当するエネルギーが光として放出される。
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、これにより赤外線領域から可視光線領域、紫外線領域まで様々な発光を得られるが、基本的に単一色で自由度は低い。
ただし、青色、赤色、緑色（光の三原色）の発光ダイオードを用いることであらゆる色（フルカラー）を表現可能である。
また、青色または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で、白色や電球色などといった様々な中間色の発光ダイオードも製造されている。
特性[編集]
電気的特性[編集]
他の一般的なダイオードと同様に極性を持っており、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も電流が増えず、発光もしない。
ある電圧を超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すると、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から6Vが必要である。
発光時の消費電流は表示灯用途では数mAから50mA程度だが、照明用途のものでは消費電力が数十Wに及ぶ大電力の発光ダイオードも市販されており[3]、最大駆動電流が10Aに迫る製品も存在する[4]。
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程度である。
これを超えると破壊されるため、整流用途には使用できない。
光の特性[編集]
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。
入力電流変化に対する光出力の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。
なお、紫外線領域に近い紫色LEDでは、紫外線を含む場合がある。
物理的特性[編集]
構造が簡単なため大量生産が可能。
価格は赤色LEDで1個5円- 10円程度と安価。
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[編集]
基本的に光量が電流に比例することから、定電流回路や平均電流を一定になるように制御した高周波回路で駆動する。
交流電源はダイオードブリッジなどで整流して利用される。
電流制限抵抗[編集]
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-VF) /I となるが、LEDの順方向降下電圧 (VF) 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ため電力効率は良くないが、定電圧電源を用意できる場合には最も単純かつ低コストな回路となる。
そのため、発光効率を特に追及しない表示灯用途には多用される。
定電流駆動[編集]
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。
電源には、LEDの順方向電圧降下に加え、定電流回路の動作に必要な電圧が必要となる。
CRDは動作に5から10V程度の電圧を必要とするが、1V程度の電圧でCRDと同等の動作ができるICも利用されている。
回路は単純だが、電流制限抵抗と同様、過大な電源電圧を電力を消費して吸収するため、電源電圧によっては電力効率が悪くなる。
高周波駆動[編集]
人間の視覚が認識できない短い時間周期の点滅を繰り返し、見かけ上一定の明るさを得る。
明るさは点灯時間のデューティー比を変えるパルス幅変調により容易に調節できる。
駆動回路には電力効率は良いが出力に電流・電圧に変動（リップル）があるスイッチング電源や昇圧回路を用いることが可能である。
また、出力電流の平均を一定に保つことで、乾電池のように電源電圧が低かったり、変動幅が大きかったり、という場合にも一定の明るさを維持可能である。
駆動回路で消費される電力が他の駆動方式に比べ少なく、入力電力の大半がLEDで消費されるため、電力効率は比較的良い。
しかし、電流断続時の急激な電流変化により生じるノイズ放射が機器内外へ電磁妨害を及ぼすほか、回路規模増大に伴ってコストと実装体積が増加する。