発光ダイオード

一般にLEDと呼ばれる発光ダイオードは、通常のダイオードと同様の特性を持つ特殊なタイプのダイオードです。 LEDは電気エネルギーを光エネルギーに変換する装置です。 LEDは電流駆動の半導体デバイスであり、順方向にバイアスされると、LEDの構造に応じて狭い帯域幅の光を放射します。 放出された光は、可視スペクトルまたは非可視スペクトルのいずれかである可能性があります。 LEDは、最も広く使用されている半導体デバイスとして分類でき、主にテレビ、カラーディスプレイ、ロードライトなどで使用されています。

LEDは、高濃度にドープされた半導体材料の薄層を持つように製造されています。 半導体材料とそのドーピングレベルは、順方向にバイアスされたときに放出される光を特徴づけます。 異なる半導体材料とドーピングレベルは、異なる波長の光を放出します。 光子の形で放出された光は、伝導帯が価電子帯の正孔と再結合するときに伝導電子によって放出されるエネルギーです。 再結合している間、光子によって単色光を生成するのに十分な量のエネルギーが放出されます。

物理的構造

LEDの外観と構造は、従来のダイオードとは異なります。 通常、LEDのPN接合は、半球形の強力な透明エポキシ樹脂で覆われています。 この構造は、LEDの繊細な構造を保護するのに役立つだけでなく、放出された光を集中/集束させるためのレンズとしても機能します。 PN接合から放出される光はそれほど強力ではなく、目立たないように反射します。 ただし、ドーム型のカバーの構造は、光が焦点を合わせ、強化し、より目立つようにするのに役立ちます。

単色光のLEDには、アノード（+）とカソード（-）の2つの脚があります。 LEDのカソードは、平らな表面/ノッチまたは短いリード線のいずれかで識別できます。 LEDは、その効率と構造のサイズにより、従来の電球に取って代わりつつあります。 従来の光源は熱を放散し、エネルギーの多くを失いますが、LEDは熱くならず、それらの両端の電圧降下を最小限に抑えます。 静電デバイスであるため、LEDは、アプリケーションの要件に応じて、非常に小さなサイズと形状に構築できます。
![1.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/b2310d23-f3e9-d48f-1da3-adc0265c2d35.png)
図1：LEDシンボルと典型的な形状

発光ダイオードの組成

PN接合の組成は、特定の波長/色を放出するように選択され、そのため、半導体材料はこれを達成するために慎重に選択されます。 従来のダイオードで使用されている半導体材料はシリコンとゲルマニウムですが、LEDでは、リン化ガリウム（GaP）、炭化ケイ素（SiC）、リン化ガリウム（GaAsP）、ヒ化ガリウム（GaAs）、 ガリウムインジウムナイトライド（GaInN）など。これらの複合半導体は、特定の波長を強化するために特定の比率/混合で半導体を混合することによって作られています。
![2.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/f75b9e6d-3c56-10f7-e0af-fbbea7bb4237.png)
図2：LED構成レイヤー

さまざまな化合物と混合比により、光スペクトルに特定の帯域幅の光が生成され、放出される光の強度も特徴付けられます。
![3.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/bbf9883e-3e3f-1ab9-bc3e-391c675fdb6a.png)

上記のチャートから、どの半導体化合物とその波長によってどの色が放出されるかが明らかです。LEDのカバーは通常、PN接合によって放出された光に属する色でできています。これは単にLEDの色を光に示すためであり、さらに、放出された光の出力を向上させるためのものです。最も一般的で安価に入手できる色は、半導体化合物によって簡単に生成される原色である赤、緑、および青です。他の色は高価であり、原色を混合することによって生成されます。

発光ダイオードの種類

ガリウムヒ素（GaAs）：赤外線ガリウム砒素リン（GaAsP）：赤、赤外線、オレンジアルミニウムガリウムヒ素リン化物（AlGaAsP）：赤（明るい）、オレンジ、黄色リン化ガリウム（GaP）：赤、黄、緑アルミニウムガリウムリン（AlGaP）：緑窒化ガリウム（GaN）：エメラルドグリーン窒化インジウムガリウム（GaInN）：紫外線、緑（青みがかった）、および青炭化ケイ素（SiC）：青（基板）セレン化亜鉛（ZnSe）：青アルミニウムガリウムナイトライド（AlGaN）：紫外線

電圧降下と直列抵抗

従来のダイオードと同様に、LEDは電流駆動であり、順方向バイアスモードにすると特定の電圧降下が発生します。順方向電圧降下（V F）は1.2V〜4.0Vの範囲であり、LEDで使用される化合物材料のタイプによって異なります。順方向電圧降下よりも大きな電圧が印加され、電流が流れると、LEDが発光します。過度の電流が流れると、LEDの敏感なPN接合が損傷する可能性があるため、LEDと電圧源の間に適切な直列抵抗を挿入する必要があります。直列抵抗の値は、LEDの定格電流の80％を超えないようにし、LEDを大幅に明るくするのに十分な量の電流を許可する必要があります。
![4.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/b412ba3f-fb8e-d8a6-7cc6-39f98f86bb99.png)
図3：抵抗と直列の単一LED

単一のLEDの例
直列抵抗の値は、オームの法則を使用して決定できます。この目的のために、順方向電圧降下（V F）、順方向電流（I F）、および供給電圧（V S）を知る必要があります。たとえば、赤色LEDの場合：V F = 1.8 V、順方向電流はI F = 10 mAに制限され、電圧供給V S = 5Vです。赤色LEDに必要な直列抵抗（R S ）の値は次のとおりです。
![5.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/a02b67d9-58a9-e848-0aae-38fb2789d476.png)

選択した赤色LEDには、330Ωの標準値抵抗が適しています。順方向電流の安全限界を下回るように、計算された抵抗よりも高い値の抵抗が選択されます。

複数のLED

複数のLEDを直列に接続できるため、駆動電流は直列のLEDで同じになります。ただし、直列抵抗を選択するには、各LEDの電圧降下（V F）を考慮する必要があります。たとえば、2つの赤色LED回路は2 X 1.8 = 3.6 Vの電圧を降下させ、直列抵抗（R S）は次のように計算する必要があります。
![6.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/f49cce8a-5c84-5e98-8189-ba2ee852f19e.png)

2つのLEDの場合、10mAの駆動電流を供給するために140Ωの直列抵抗が必要です。
![7.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/78e3fe87-9441-1f28-57c6-b3f608974092.png)
図4：抵抗と直列の複数のLED

同様に、複数のLEDの直列および並列の組み合わせを作成できます。2つの赤色LEDの別の分岐を以前に構築した回路と並列に追加して、同じ電源で合計4つのLEDを駆動することができます。各分岐の電流は同じになります。つまり、I F1 = I F2 =10mAになります。ただし、4つのLEDを駆動するために、ソース電流（I S）が2倍になります。![8.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/0fcb36ce-f5ae-9b75-9b21-51d6bd23f634.png)
![9.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/ed49a58b-6a54-bb97-372d-e61c2b02b603.png)
図5：直列および並列構成の複数のLED

LEDの制御

LEDは、さまざまな方法でオンとオフを切り替えることができます。ほとんどの場合、LEDはマイクロコントローラーまたは論理ゲートによって駆動される低電圧デジタル回路で使用されます。論理ゲートまたはマイクロコントローラピンは、入力または出力として機能できます。ピンが出力として設定されている場合、それは電流ソースおよび入力タイプのシンクとして機能します。ソースまたはシンクとしての電流処理能力はさまざまで、 20mAから50mAの範囲である可能性があります。これは、LEDの損傷を防ぐために、デジタル回路に直列抵抗が必須であることも示しています。

次の図では、TTLまたはCMOSロジックを使用してLEDを駆動しています。直列抵抗の値は、前述と同じ方法で計算できます。論理ゲートは、図のソースおよびシンクとしてLEDに接続されています。
![10.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/de642178-682b-1137-e605-99b0a1cd374c.png)
図6：デジタル回路を介したLEDの駆動

LEDのカソードがグランドに接続され、アノードが抵抗を介して論理回路に接続されている場合。次に、ロジックハイはLEDをオンにし、その逆も同様です。この構成では、論理ゲートがソースとして機能しています。一方、アノードが抵抗器を介してロジック高電圧に接続され、カソードがロジック回路に接続されている場合、ロジックローはLEDをオンにし、その逆も同様です。この構成でシンクとして機能するデジタルゲート。

ただし、論理回路の電力と電流処理の制限により、いくつかのLEDを直接接続することができます。より大きなLEDディスプレイで使用されるような多数のLEDを駆動するには、外部/絶縁回路が必要です。高速スイッチングLEDを駆動するために、トランジスタなどのディスクリートコンポーネントが使用されます。トランジスタの定格は、駆動するLEDに応じて慎重に選択できます。

次の図では、NPNおよびPNPトランジスタを使用して、マイクロコントローラまたは論理回路からLEDを駆動しています。直列抵抗は、次の式を使用して計算されます。
![11.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/daffc66d-a3f3-8fb0-7d71-a388b516c7ee.png)
![12.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/51677dc1-346d-476b-be9b-3e2b804e71c1.png)
図7：トランジスタによって分離されたデジタル回路を介したLEDの駆動

トランジスタを使用したロジックハイおよびロー駆動回路が示されています。ロジックソースはトランジスタのベースに接続され、ロジックと回路に応じてトランジスタのオンとオフを切り替えます。アクティブモードでトランジスタをオンにすると、LED回路が完成し、LEDがオンになります。

マルチカラーLED

単色LEDは、表示目的または7セグメントディスプレイで最も一般的に使用されます。それらは単純な構造のために低コストであり、さまざまなサイズと形状で利用できます。単色LEDに加えて、

2色および3色LEDも、電力やバッテリーレベルなどのさまざまな状態を表示するために最も一般的に使用されます。2色LEDには、2つの異なる色のLEDが逆並列構成で接続されています。2色LEDには2つの端子があり、どちらの側からの電源でも色が生成されます。極性を逆にすると、LEDによって生成される色が変わります。電池の極性端子などの確認に使用します。
![13.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/426d800e-bbcb-8636-d606-83e2fae02220.png)
それに適用される交流または双方向電流は、かなり高速で両方のLEDをオン/オフします。切り替えは肉眼では検出できないため、両方の色の混合が観察されます。

![14.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/f75e1c08-d569-f54f-15b3-a0044f0b33ae.png)
マルチカラーLEDは、互いに並列に接続された赤と緑のLEDで構成されます。複合LEDが発する色は、両方の個々のLEDの駆動電流に依存します。放出される色は、個々のLEDとそれらの駆動電流源の両方の組み合わせです。次の図は、マルチカラーLEDとその駆動電流カラーテーブルを示しています。

![15.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/ce4dc38a-34ba-1cc2-a324-4bf00436b046.png)
![16.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2648141/833e431d-ae5b-69f9-7bf6-67c816e040e7.png)

アプリケーション
表示の目的。ナンバリングデータを表示するための7セグメントディスプレイ。ハンドヘルドデバイス、フラットスクリーンLEDテレビ、および広告用の大画面ディスプレイ。リモコンなどの赤外線駆動デバイス。オプトカプラー

結論

発光ダイオードは電気エネルギーを光エネルギーに変換します。

発光ダイオードは、PN接合が化合物半導体でできている特殊なダイオードの一種です。

LEDは高濃度にドープされた半導体で構成されており、PN接合の非常に薄い層があります。

順方向にバイアスされたLEDにより、伝導帯の電子が価電子帯の正孔と再結合できるようになります。

そうすることで、電子は光子/光の形でエネルギーを放出します。

光子によって放出される色は、LEDで使用される半導体化合物に依存し、その強度は順方向バイアス電流に依存します。

放出された色の波長は、可視または不可視の光スペクトルにあります。

直列抵抗は、基本的にLEDの損傷を防ぐために使用され、直列抵抗の値は、LEDのタイプ、LEDの数、およびそれらの直列/並列構成に応じて計算する必要があります。

LEDはさまざまな色で利用できます。単色は広く使われていて安価です。一方、2色および多色LEDも利用できますが、比較的高価です。

LEDアプリケーションには、表示目的、ディスプレイ、テレビ、大型広告ディスプレイなどが含まれますが、これらに限定されません。