LEDの構造を理解するには、まずダイオードの基礎を理解することが重要です。
ダイオードは、電流の流れに対する一方向のゲートとして機能する2本のリードを持つ半導体デバイスです。ダイオードのアノード リードの電圧がカソード リードの電圧よりも高くなると (順方向バイアスと呼ばれる状態)、電流がデバイスを流れるようになります。ダイオードは整流器や電圧調整回路でよく使用されます。
pn接合ダイオード は、片側に n型結晶、もう一方に p型結晶を持つ2つの別々の半導体で構成された半導体です。2つの導体には電流を流す独自の方法があります。 p 側は正孔で電流を流し、 n 側は電子で電流を流します。2つの半導体の境界は pn 接合と呼ばれます。この pn 接合が順方向バイアスされると、 n 側の電子が接合を越えて p 側に励起されます。p 側では、電子が電子ホールと結合し、光子が放出されます。
発光ダイオード (LED) は、可視光または赤外線を放射するように設計された pn-接合ダイオードです (LEDは特定の色の光子のみを放射します。標準的な光子の色は、赤、黄、緑、赤外線です)。pn接合ダイオードと同様に、LEDは電流に依存します。LEDの出力強度を制御し、もちろん光を放射するためには、順方向電流を変化させます。可視光LEDの場合、最大順方向電圧は約1.8 Vで、標準的な動作電流は1 ～ 3 mAです。赤外線LEDの場合、特定の順方向電流での最大順方向電圧は、20 mAで約1.60 V、100 mAで2.0 Vの範囲です。
LEDは、照明、通信、レーザーなどの優れた導体として長年にわたりその可能性を秘めており、過去80年間にわたり照明業界の主要な研究対象となってきました。1920年代後半、ロシアの物理学者オレグ・ウラジミロヴィッチ・ロセフが初めてシリコンカーバイドダイオードの発光を記録しました。光るダイオード（現在は発光ダイオードとして知られています）は、当初は電信や電話 通信用の単純な光リレーとしてのみ考えられていたため、当初の期待をはるかに上回る成果を上げました。
より優れた半導体の開発競争の偶然の副産物である赤外線LEDは、テキサス インスツルメンツ社の物理学者ジェームズ ベアードとゲイリー ピットマンがXバンド ガリウム ヒ素 (GaAs) バラクタ ダイオード を作ろうとしていた1961年に発見されました。TIの発見に続いて、1962年にGEの物理学者Nick HolonyakとRobert Hall、IBMのMarshall Nathan、MITのRobert Redikerが同時にGaAs基板上にGaAsP (ガリウムヒ素リン化物) を作製しました。これは初の可視スペクトルLEDであり、LEDテクノロジーの現代時代の幕開けとなりました。
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1962年、ホロニアックグループの発見は、実用的な発光体の始まりを示しました。 pn -ジャンクションLED。最初の商用LEDと、すぐにどこにでも見られることになる赤い光が、その後すぐに市場に登場しました。残念ながら、LED 1個あたり200ドルを超えるコストがかかるため、広く普及しているとは言えません。しかし、1960年代後半にはLEDの潜在力がますます明らかになるにつれて、市場は変化し始めました。商業的な大量生産はモンサント社によって本格的に始まり、その後ヒューレット・パッカード社が続きました (モンサント社は当初GaAsPをHP社に供給していましたが、その後HP社がGaAsPを自社で生産し始めました)。
1970年代までには、LEDは電卓、時計、時計型電卓の数字表示や、電話のダイヤルのバックライトなど、あらゆるところに使われるようになりました。アプリケーションの増加はテクノロジーの増加と歩調を合わせました。業界の専門家は、GaAsPとGaAs基板間のバッファ層を改良して明るさを大幅に向上させ、光学活性不純物をドーピングすることで効率を劇的に向上させることができました。
他の光源には明確な基本的な制約があるのに対し、固体LEDは現代のエンジニアの創意工夫によってのみ制限されます。従来の光源では考えられなかったことを実現する新しいスマート テクノロジーは、LEDのスペクトル、空間、時間、偏光特性、および色温度を制御でき、LEDベースのテクノロジーには限界がないことを証明しています。実際、現在登場している技術は、照明、自動車、輸送、通信、画像、農業、医療の分野で多大な利益をもたらすことが期待されています。
驚異的な効率性と環境的に安定した設計により、 導かれた 間違いなく未来の照明技術です。そのため、照明業界では照明グレードの白色光を生成できるLEDの開発に競争が繰り広げられています。蛍光体変換（pc-）LEDの登場です。PC-LEDは高エネルギーの青色放射線を放射し、さまざまな赤方偏移発光材料 (蛍光体など) でコーティングされています。白色光pc-LEDを得るには、青色LEDダイに加えて、広帯域黄色発光 (1-pc-LED) または赤色と緑色の蛍光体材料の混合物 (2-pc-LED) のいずれかを使用します。最初の青色光とさまざまな蛍光体の発光を混合することで、白色光が生成されます。
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この研究には課題がないわけではありません。市販のLEDのほとんどはCeを添加したガーネット材料を使用している。 3歳以上 優れた熱安定性と化学的安定性により、黄色の広帯域発光体として知られています。しかし、赤色のスペクトル範囲での発光が不足しているため、その用途は冷白色光に限定されます。LEDの厳しい設計要件を満たす赤色発光体の探索はまだ完全には実現していませんが、研究者らは、希土類イオンをドーピングするためのホスト格子として使用される (オキソ) 窒化珪酸塩が、青から赤までの全スペクトル範囲をカバーする発光材料を生成することを発見しました。残念ながら、この高い演色評価数を満たすには、発光効率が低下するという代償を払うことになります。
課題は、エネルギー効率を損なうことなく色再現性を向上させることです。Sr[Mg3SiN4]:Eu2+ (SMS)やSr[LiAl3N4]:Eu2+ (SLA)などの次世代赤色蛍光体は、pc-LEDで使用するための理想的な蛍光体特性を持つ可能性を示しています。これらの高度に凝縮された窒化物は、赤色スペクトル領域で狭帯域の発光を示します。この領域での狭い放射は、人間の目の感度範囲内であり、エネルギー効率と熱効率に優れています。
LEDのエネルギー効率には利点があるものの、この技術を適用する場合、熱管理が明らかな欠点となることが分かっています。熱はLEDの寿命に直接関係しており、LEDは半導体接合部で大量の熱を発生します。LED照明は25% の可視光と75% の熱を放出します。たとえば、チップオンボード (COB) LEDは非常に小さなパッケージで50W以上の熱を発生する可能性があります。経験則では、1ワットの電力につき4平方インチのヒートシンクを確保することになっているため、LED自体が10平方ミリメートルと小さい場合でも、スペースが問題になります。許容される寿命基準を満たすために、LEDによって生成される熱の少なくとも一部を放散するさまざまなヒートシンク方式が開発されてきました。良い点としては、LED照明は放射熱ではなく対流熱を放出するため、LEDが生成した熱のほとんどは、別の空間に移動させることで再利用したり除去したりすることができます。
ベストプラクティスでは、LED開発では光抽出効率を高めるためにチップレベルでの最適設計に集中する必要があるとされているため、代替熱オペレーティングシステム (ATOS) を使用した高出力LED (特に、小さな領域で高い熱流束が発生するCOB) の熱管理は、今後の研究開発の重要な焦点となります。新たな研究により、ATOSが現在の制限に対する実行可能な相乗的解決策であることがすでに示されているため、待つ時間はそれほど長くかからないと思われます。一方、LED技術による潜在的なエネルギー節約は、現在の熱管理の限界によるいかなる障害をもはるかに上回り、研究者は間違いなくLED開発をその究極の目的まで追求し続けるでしょう。