技術情報

白色LEDの原理

この記事では、
家庭用照明などでも普及が進んでいる白色LEDについての原理等について
紹介します。

まず、LEDの発光原理について簡単に説明してみたいと思います。

説明の簡略化のために厳密性にかける箇所もありますがご了承ください。

半導体内の電子がとることのできるエネルギーの値としては、
電子がたくさん詰まっている低いエネルギー準位である価電子帯と
それより高いエネルギーを持つ電子が存在する伝導帯があります。

半導体に電流を注入したりして、伝導帯の電子が増えると安定した
エネルギー準位である価電子帯に電子の移動が起こります。

そのとき、
価電子帯と伝導帯のエネルギー差(バンドギャップエネルギー)に
相当するエネルギーを光として放出します。

LEDはこの現象を起こりやすくした構造を持ち、
p型半導体とn型半導体をくっつけたpn接合になっています。

pn接合に順電圧をかけるとpn接合の接合部付近において
伝導帯に電子がたくさん存在し、一方で価電子帯には正孔が
たくさん存在する状態になっています。

すると、
電子と正孔が再結合し、そのときに光エネルギーに変換されます。

LEDで材料によって発光色が異なるのは、
前述のバンドギャップエネルギーが材料によって異なる値をとるためです。

そのバンドギャップエネルギーに対応した色で発光することになります。

続いて、白色LEDについての説明に入ります。

白色は可視領域の幅広い波長の光を含みます。

上記のように、LEDでは材料によって特定の波長の光を出しますので、
白色光を出すには工夫が必要です。

LEDを使って白色の光を出すにはいくつかの方式がありますが、
ここでは青色LEDと黄色蛍光体を利用した方式を紹介します。

まず、蛍光体とは、光が当たるとその光を吸収して、
それとは異なる波長の光を発する材料のことです。

通常、吸収した光よりも低エネルギーの光、
言い換えると長波長の光を発します。

青色LED+黄色蛍光体を用いた方式では、
青色の光で黄色の光が励起される蛍光体を利用し、
LEDによる青色光と蛍光体による黄色光の組み合わせで
白色光を作り出しています。

この方式による白色光のスペクトルのイメージを図1に示します。

青色LEDと黄色蛍光体による発光スペクトルイメージ

ただし、この青色LED+黄色蛍光体の方式は、
発光効率は高いが演色性(自然光があたったときの色の再現具合)が
よくないなどの課題もあり、それを補うその他の方式もあります。

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