LEDの発光原理とは？色が変わる仕組みと構造を解説

LEDは、照明器具、家電の表示ランプ、信号機、自動ドアのセンサ、バーコードリーダなど私たちの身の回りのあらゆる機器に利用されています。特に一般照明はほとんどLEDに置き換えられ、私たちの生活に欠かせない存在といっても過言ではありません。イルミネーションやライトアップにおいても、LED光の色彩は景観を見事に演出しています。
今回は、LEDの発光原理や色表現する方法を中心に解説します。

LEDとは？

「LED」とは、電気を流して発光させる半導体素子をいいます。LEDは英語の「Light Emitting Diode」の略です。日本語では「発光ダイオード」とも呼ばれています。
消費電力が少ない、寿命が長い、紫外線や赤外線を含まない、発熱ダメージが少ない、温度が低い環境でもすぐに点灯する、水銀などを含まないなどの理由からLEDを使用した照明器具が普及し始めています。

LEDの発光原理

LEDは、性質の異なる「p型半導体」と「n型半導体」を接合したものです。 p型半導体は、正孔（プラスの性質をもちホールとも呼ばれる）が多くあり、n型半導体は電子（マイナスの性質をもつ）が多くあります。

LEDの発光原理の流れは、次のとおりです。

①LEDに順方向の電圧をかける。
②電圧をかけるとLED内の「正孔」が「n型半導体」側へ動き、「電子」が「p型半導体」側へ向かって動く。
③p型半導体とn型半導体の接合箇所で正孔と電子が結合し、光エネルギーが発生することでLEDが光る。

このようにLEDの発光は半導体の中で電気エネルギーが直接光になる仕組みです。

色の表現方法

LEDが発する光の色は、LEDを構成する半導体材料によって異なります。各半導体に使用されている材料はGa（ガリウム）、N（窒素）、 In（インジウム）、Al（アルミニウム）、P（リン）などの化合物です。各化合物によって発生させることができる光の波長が違うため、化合物を組み合わせて色を表現しています。

以下に、発光色と使用される代表的な半導体材料（化合物）を示します。

なお、同じ化合物半導体で発光色が異なるのは元素の比率の違いです。例えば、GaAsP（ガリウムヒ素リン）では、As（ヒ素）とP（リン）の比率を変えることで橙（だいだい）色から黄色までの発光色が得られます。

白色を表現する場合は、様々な色のLEDや光を当てた時に発光する物質である「蛍光体」を組み合わせます。白色を表現するには以下のような方法があります。

●赤色LED＋緑色LED＋青色LED

「光の三原色」である、赤色、緑色、青色のLEDから発生する光を組み合わせる方法です。主にモニターを出力する際などに使用される表現方法です。

●近紫外線LED＋赤色蛍光体+緑色蛍光体+青色蛍光体

近紫外線のLEDと3色の蛍光体を組み合わせる方法です。キレイな白色を表現できますが明るさが弱いことが課題です。

●青色LED＋黄色蛍光体

青色の補色である黄色の蛍光体を組み合わせる方法です。発光効率が高いといわれている表現方法です。



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