色付き LED: さまざまな色をどのように取得しますか?

たくさん カラーLED 彼らは近年私たちに同行しています。 すべての場合において容易ではなかったため、新しい色合いの LED が登場するたびに。 たとえば、興味深いことに、白色光 LED と青色光 LED は、市場に出回るのが最も遅い LED の XNUMX つであることを知っておく必要があります。

現在、彼らは ダイオードの一種 多くの分野で不可欠です。 したがって、この記事では、 あなたが知る必要があるすべて これらについて 基本的な電子部品、そしてなぜそれらが光を発するのか、なぜその色なのかなどについて...

半導体発光光源

ご存じのとおり、半導体デバイスから発生する可能性のある発光の XNUMX つのソースは次のとおりです。 レーザーダイオードとLEDダイオード. LEDは自然放出に基づいていますが、レーザーは誘導放出に基づいています。 それが両者の違いです。

たくさん 発光ダイオード (Light Emitting Diode) それらは電子機器の中で最も一般的な光源です。 デジタル時計で時刻を表示したり、バッテリーの動作や充電を知らせたりするために使用されます。 用途は数多くあり、現在では新しい LED 電球を使用した照明にも飛び込み、あらゆるタイプの部屋や車両を照らすようになっています。

これらの LED デバイスは、 光半導体、電流を光に変換することができます。 この照明装置は、電球のように燃え尽きないため耐久性に優れているという大きな利点があり、さらに効率的であるため、従来の電球よりも消費量がはるかに少なくなります。 さらに、製造コストが非常に低いため、非常に人気があります。

他の半導体デバイスと同様に、LED には次のような基本的な主要要素があります。 正孔を含む P ゾーン (+) と電子を含む N ゾーン (-)、つまり、あらゆる半導体の通常の電荷担体です。 これにより、次のようになります。

• P 側を電源に接続し、N 側をグランドに接続すると、接続が順方向にバイアスされ、ダイオードに電流が流れ、目に見える光が放出されます。
• P側がグランドに接続され、N側が電源に接続されている場合、接続は逆バイアスされていると言われ、電流の流れを防ぎます. ダイオードが一方向の電流の流れを防止することは既にご存じでしょう。
• 順方向バイアスがかかると、P 側と N 側の多数電荷キャリアと少数電荷キャリアが互いに結合し、PN 接合の空乏層で電荷キャリアを中和します。 次に、この電子と正孔の移動により、一定量の光子が放出されます。つまり、エネルギーの一部が、一定の (単色) 波長の光の形で放出されます。 これが LED の色を特徴付けるものです。発光する波長に応じて、IR、青、黄、緑、黄、琥珀色、白、赤、UV などになる可能性があるからです。
• 電磁スペクトルの放射波長、つまり色は、ダイオードの PN 接合を形成する半導体材料によって決まります。 したがって、半導体化合物を変化させたり、操作したりして、スペクトルまたは可視範囲内で新しい色を作成できます。

赤、青、緑 (RGB または Red Green Blue) の色を簡単に組み合わせて、 白色光を生成する. 一方で、LEDの動作電圧も色によって異なると言わざるを得ません。 たとえば、赤、緑、琥珀、黄色が機能するには、約 1.8 ボルトが必要です。 そして、発光ダイオードの動作電圧範囲は、LEDの製造に使用される半導体材料のブレークダウン電圧に応じて決定できるということです。

LEDの種類

LED はいくつかの方法で分類できます。主な方法の XNUMX つは、発光する波長に従って分類することです。 XNUMXつのカテゴリ:

•  可視LED: 可視スペクトル内、つまり 400nm から 750nm の間の波長を放出するものです。 この範囲は人間の目に見える範囲であり、音場で 20 Hz から 20 Khz の間しか聞こえないのと同じです。 20 Hz 未満は私たちが聞くことのできない超低周波音であり、20 kHz を超えると、どちらも捉えることができない超音波です。 光の場合も同様のことが起こり、400 nm を下回ると赤外線または IR になり、750 nm を超えると紫外線になります。 どちらも人間の目には見えません。
•  目に見えない LED: IR ダイオードや UV ダイオードの場合のように、私たちが見ることのできない波長です。

可視 LED は、主に照明や信号に使用されます。 目に見えないLEDは、光センサーを使用して、光スイッチ、光通信および分析などのアプリケーションで使用されます。

効率

ご存じのとおり、LED照明は多くの より効率的 従来よりも消費電力が少なくてすみます。 これはLEDの性質によるものです。 次の表では、光束と LED に供給される電気入力電力の関係を確認できます。 つまり、ルーメン/ワット (lm/W) で表すことができます。

LED構造

出典：リサーチゲート

La 発光ダイオードの構造と構造は、通常のダイオードとは大きく異なります。、ツェナーなどLED の PN ジャンクションが順方向にバイアスされると、LED から光が放出されます。 PN ジャンクションは、固体のエポキシ樹脂と透明なプラスチック製の半球ドームで覆われており、LED の内部を外乱、振動、熱衝撃から保護します。

PN接合は、 材料 ヒ化ガリウム、リン化ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化ガリウムアルミニウム、炭化ケイ素などの低バンドギャップ化合物たとえば、赤色の LED はガリウム砒素基板上に、緑色、黄色、オレンジ色の LED はリン化ガリウム上に作られています。 赤では、N 型層にテルル (Te) がドープされ、P 層に亜鉛 (Zn) がドープされています。 一方、コンタクト層は、P側にアルミニウム、N側にスズ-アルミニウムを使用して形成されます。

また、これらのジャンクションは多くの光を放出しないことを知っておく必要があります。 エポキシ樹脂ドーム これは、PN 接合によって放出された光の光子が最適に反射され、PN 接合を通して集束されるように構成されています。 つまり、プロテクターとしてだけでなく、集光レンズとしても機能します。 LEDの上部が明るく見えるのはこのためです。

LED は、 電荷キャリアの再結合のほとんどは、PN 接合の表面で発生します。 明らかな理由で、それは次の方法で達成されます。

• 基板のドーピング濃度を高めることにより、追加の少数電荷キャリア電子が構造の上部に移動し、再結合して、LED 表面で光を放出します。
• 電荷キャリアの拡散長を長くすることにより、つまり、L = √ Dτ となります。ここで、D は拡散係数、τ は電荷キャリアの寿命です。 臨界値を超えて増加すると、放出された光子がデバイス内で再吸収される可能性があります。

したがって、LED ダイオードが順方向バイアスで接続されている場合、 貨物運搬船 それらは、PN接合で既存のポテンシャル障壁を克服するのに十分なエネルギーを獲得します。 P 型半導体と N 型半導体の両方の少数電荷キャリアが接合部に注入され、多数キャリアと再結合します。 多数キャリアと少数キャリアの組み合わせには、次の XNUMX つの方法があります。

• 放射性：再結合時に発光する場合。
• 放射性ではない: 再結合の間、光は放出されず、熱が発生します。 つまり、適用された電気エネルギーの一部は、光ではなく熱の形で失われます。 光または熱を生成するために使用されるエネルギーの割合に応じて、これが LED の効率になります。

有機半導体

最近では彼らも市場に参入している OLED またはディスプレイに使用されている有機発光ダイオード。 これらの新しい有機ダイオードは、有機分子の一部または全体で伝導が可能な有機半導体、つまり有機性の材料で構成されています。

これらの有機物は 結晶相または高分子中. これには、非常に薄い構造、低コスト、動作に必要な電圧が非常に低い、高輝度、最大のコントラストと強度があるという利点があります。

LEDの色

通常の半導体ダイオードとは異なり、LED は使用する化合物によってその光を発しますが、これは前述のとおりです。 通常の半導体ダイオードはシリコンやゲルマニウムで作られていますが、発光ダイオードは 化合物 のような：

• ガリウム砒素
• リン化ヒ化ガリウム
• 炭化ケイ素
• 窒化インジウムガリウム

これらの材料を混合すると、独自の異なる波長を生成して、目的の色を実現できます。 異なる半導体化合物は、可視光スペクトルの定義された領域で光を放出するため、異なるレベルの光強度を生成します。 LED の製造に使用される半導体材料の選択によって、光子放出の波長と、放出される光の色が決まります。

放射パターン

放射パターンは、放射面に対する光放射の角度として定義されます。 最大量のパワー、強度、またはエネルギーは、放射面に垂直な方向で得られます。 発光角度は発光する色によって異なり、通常は約80°から110°の間で変化します。 ここに さまざまな色と素材:

LED が発する光の色は、 プラスチックのボディカラー LEDを囲んでいます。 これは非常に明確にする必要があります。 先に述べたように、エポキシ樹脂は、光出力を改善するためと、LED がオフのときの色を示すために使用されます。

LEDマルチカラー

市場には、 多種多様なLEDが利用可能、さまざまな形状、サイズ、色、出力光強度などがあります。 ただし、その価格で議論の余地のない王様は、直径5mmのガリウム砒素リン化赤色LEDであると言わざるを得ません。 それは世界で最も使用されているので、最も多く製造されているものです。

ただし、ご覧のとおり、現在はさまざまな色があり、いくつかの色を組み合わせて、 LEDマルチカラー このセクションで見るもののように…

バイカラー

バイカラーLEDはその名の通り、 XNUMX色発光可能なLED. これは、XNUMX つの異なる色の LED を同じパッケージに組み合わせることによって実現されます。 このようにして、ある色から別の色に変更できます。 たとえば、一部のデバイスに表示されるバッテリーの充電状態を示す LED のように、充電中は赤に変わり、充電が完了すると緑に変わります。

これらのLEDを構築するために 並列に接続されています、XNUMX つの LED のアノードを別の LED のカソードに接続し、その逆も同様です。 このようにして、いずれかのアノードに電力が供給されると、アノードから電力を受け取っている XNUMX つの LED だけが点灯します。 両方のアノードに同時に電力が供給される場合、動的スイッチングで両方を同時にオンにすることも可能です。

トリコロール

XNUMX色のLEDもあります。つまり、 XNUMXつの異なる色を発することができます XNUMXつの代わりに。 これらは XNUMX つの LED と共通のカソードを同じパッケージに組み合わせており、XNUMX 色または XNUMX 色を点灯するには、カソードをグランドに接続する必要があります。 そして、制御またはオンにしたい色のアノードによって供給される電流。

つまり、XNUMX 色または XNUMX 色の LED 照明の場合は、 いずれかのアノードへの電源供給 個別にまたは同時に。 これらの XNUMX 色 LED は、通知などを示すために、携帯電話などの多数のデバイスでもよく使用されます。 また、このタイプのダイオードは、異なる比率の直流電流で XNUMX つの LED をオンにすることにより、原色の追加の色合いを生成します。

LED RGB

これは基本的に三色 LED の一種で、この場合は RGB（赤緑青）、それはそれらの XNUMX 色の光を発するためです。 ご存知かもしれませんが、これらはカラー トリム ストリップやゲーム ギアで非常に人気があります。 ただし、原色があっても、すべての色と色合いを生成することはできません。 一部の色は RGB トライアングルの外にあり、ピンク、ブラウンなどの色は RGB では入手が困難です。

LED の長所と短所

それでは、主なものは何かを見てみましょう 長所と短所 これらの LED ダイオードの:

利点

• 小さいサイズ
• 低生産コスト
• 賞味期限が長い（溶けない）*
• 高エネルギー効率/低消費
• 低温・輻射熱が少ない
• 設計の柔軟性
• それらは多くの異なる色、さらには白色光を生み出すことができます。
• 高速スイッチング
• 高光度
• 光を一方向に集中させるように設計可能
• それらはソリッドステート半導体デバイスであるため、より堅牢です: 熱衝撃や振動に対する耐性が向上します。
• 紫外線の存在なし

デメリット

• LED の放射出力と波長の周囲温度依存性。
• 過電圧や過電流による損傷を受けやすい。
• 理論上の全体効率は、特殊な低温またはパルス条件下でのみ達成されます。

アプリケーション

最後になりましたが、 可能なアプリケーション これらの色付き LED の用途:

• 車両ライト用
• サイネージ: インジケータ、標識、信号機
• ダッシュボードに視覚情報を表示する
• ピクセルが LED で構成されているディスプレイの場合
• 医療アプリケーション
• トイズ
• 照明
• リモートコントロール (IR LED)
• など