特性と使い方
浜松ホトニクスの代表的なLEDの構造や特性、使い方などについて説明します。

1. 基本構造

2. 特性LED (Light emitting diode)チップは内部にP-N接合をもち、両面にオーミック接触を取るための電極が付いています。P-N接合はGaAs結晶基板を用いて液相成長することで得られます。また結晶の内部構成は、目的とする発光波長、パワー、遮断周波数などにより異なります。この結晶に拡散、蒸着などのプロセス工程を加えてLEDチップが作られます。

2-1 順電流−順電圧特性
LEDの場合も順電流−順電圧特性は、整流用ダイオードと同様の特性を示します。
しかし素子構造などの違いにより、特性曲線には多少の違いが表れます。(図2-1参照)
図2-1 順電流−順電圧

図1-1 LEDのチップ構造のチップ構造

順電流 IF電極
n-GaAlAs

GaAs (GaAlAs)

p-GaAlAs

p-GaAs基板

順電圧 VF

KLEDC0006JA

電極
KLEDC0003JA

図1-1に高出力赤外LEDのチップ構造を示します。通常チップは金メッキされた金属ベースか銀メッキされたリードフレームにマウント (ダイボンド)され、金ワイヤでリードピンと電気的に接続されます。この後、ワイヤ保護のために樹脂でコーティングまたはキャップ封止します。図1-2に金属ベースに組み立てられたチップの状態を示します。
図1-2 LEDチップの組み立て
チップの組み立てÀは低抵抗LEDの特性を示した曲線です。Áの一般的なLEDと比べると同じ電流を流すのに必要な電圧 (VF)が低いことがわかります。ここにおける抵抗とは、一般に使われる意味での抵抗とは異なり、特性曲線の規定電流(規定電圧)での接線の傾きをいいます(微分抵抗)。普通LEDを使用する際、VFの小さい素子の方が設計が容易となります。VFが高いと、同じ電流値で使用したときに消費電力が大きくなり、その分LEDの温度上昇が起こり、パワーの低下、ピーク発光波長のシフト、LEDの劣化などの悪影響をもたらします。

金ワイヤ ( 25〜30 µm)

2-2 光出力−順電流特性
ダイボンド樹脂

ガラス
LEDチップ

金属ベース

リードピンKLEDC0004JA

光出力−順電流特性は一般的にはDC駆動において、最大定格までは、ほぼ直線的になります。また、パルス駆動においてもパルス幅、デューティ比を考慮すれば、ほぼ直線的な特性が得られます。したがって、ある電流値でのパワーが測定されていれば、異なる電流値でのパワーも計算によって概略値を簡単に求めることができます。しかし、素子の発光部の温度が周囲温度や自らの発熱により上昇すると、パワーは低減し、特性グラフにおいては飽和が認められるようになります。

また、金属ベースにリフレクタの役目をもたせるために凹部を作り､その中にLEDチップをマウントすることにより、放射照度を上げたLEDもあります。 (図1-3参照)
図1-3 LEDチップのマウント例
チップのマウント例
光金属ベース
LEDチップ
リフレクタ

リフレクタ
KLEDC0005JA

1

特性と使い方

3-2 パルス駆動

3. 使い方3-1 直流駆動
LEDを光電スイッチなどに使用する場合の最も一般的な使い方は、一定の順方向電流を流して使用する方法です。このときに流す電流値はLEDの絶対最大定格の順電流の値を越えないように注意します。またLEDの周囲温度が高くなる場合には、許容順電流−周囲温度特性を考慮する必要があります。

電流値が絶対最大定格を超えないように注意してください。最も簡単な駆動は、パルス発生器の出力をそのままLEDの両端に加える方法です。しかし、通常これでは電流容量が不十分なため、その場合には図3-3のようにトランジスタを用いてください。
図3-3 パルス駆動回路例+5 VLED

図3-1 直流駆動回路例
5V

電流計
A
定電圧源

10 kW

500 W
LED

5V

KLEDC0009EA

KLEDC0007JA

最も簡単な回路を図3-1に示します。この回路で20 mAの定電流を流したいときには、可変抵抗を最も抵抗が大きくなる状態にしてから電圧を印加し、電流計を見ながら電流値が20 mAになるように可変抵抗の抵抗値を下げていきます。また、可変抵抗を使わないときは計算によって抵抗値を求めます。かりに20 mAのときのLEDの順方向電圧が1.4 Vであったとすると、R=(5.0-1.4)/0.02となり、180 Wの抵抗を用いればよいことになります。
図3-1の回路ではLEDの順方向電圧のばらつきにより、順電流の値は個々に少しずつ異なります。これを防止するには、オペアンプを使った定電流回路が便利です。図3-2にオペアンプを使った簡単な定電流回路を示します。
図3-2 オペアンプを使用した定電流回路例

基準電圧+V=0.6 V-100 kW

図3-4 高速パルス駆動回路例
Vs=5 V

R274HC00など

R1インバータ
R1=510 Ω
R2=40 Ω (=R3)
R3=40 Ω (IF=50 mA)
R4=510 Ω
R5=510 Ω
Tr1, Tr2=2SC1254

R4

LED

Tr1

Tr2
VB

R3R5

図3-4の回路では、入力がHレベルの時にLEDがON状態となります。またLEDを流れる順電流 IFはIF = (Vs/2 VB)/R3で表されます。[この回路例ではIF = (5/2 - 0.5)/40 =0.05 (A)となります。]応答速度はTr1,Tr2の応答速度で決まり、2SC1815を使用すれば20 MHz程度、2SC1254を使用すれば100 MHz程度の速さが得られます。

2SC1624-5 V

また、高速でLEDをパルス駆動する際には高速のドライバが必要となります。図3-4に高速ドライバの回路図を示します。

KLEDC0002JA+5 V

100 kW

LED
RL=30 W
KLEDC0008JA

図3-2の場合では、オペアンプの正位相入力端子 (+)には0.6 Vが基準電圧として印加され、逆位相入力端子 (-)の電位はこれとほぼ等しくなるので抵抗RLの両端の電圧降下は0.6 Vとなり、0.6/0.03=20 (mA)の電流が流れます。
RLの値を変えることにより、LEDの駆動電流を希望する電流値にすることができます。

22SC16240V特性と使い方

4. 劣化
LEDを長期にわたって使用すると劣化が起こります。
一般的な現象はパワーの低下、順方向電圧の変化などがあります。この劣化の原因と考えられているのが、発光部での発熱による結晶の転位やズレであり、これらはダークライン、ダークスポットとして観察されます。
また劣化は外部応力によっても起こります。LEDチッ
プに力を加えた状態で駆動するとLEDは顕著な劣化を示します。こうした応力はパッケージの機械的歪みからもたらされる場合があり、LEDの取り付けなどにも十分な注意が必要です。

5. 光出力の測定方法
5-1 放射束 (光出力): fe
ある規定の順方向電流を流したときの全光量を測定します。LEDの横方向に出射する光に対してはリフレクタを設け、LEDから放射されるすべての方向の光を前面のフォトダイオードによって受けて、全光量を測定します。
(図5-1参照)
図5-1 光出力測定方法
LED

期待寿命
一般的にLEDの光出力は動作時間に対して指数関数的に減少し、以下の式で表されます。

リフレクタ

リフレクタ

P = Po · exp (-bt) ............ (4-1)
Po: 初期の光出力b : 劣化率
t : 動作時間

フォトダイオード
KLEDC0010JA(4-1)式中の劣化率とは、素子の材料、構造および使用条件などで異なり、次の式のように仮定されます。

b = bo · IF · exp (-Ea/kTj) ............ (4-2)
bo: 定数IF : 動作電流
Ea: 活性化エネルギーk : ボルツマン定数(4-2)式では、劣化率はジャンクション温度に関係するアレニウスの式にIFの項を付け加えてあります。劣化は結晶の転位やズレによって起こりますが、この転位やズレは温度による格子振動だけでなく、非発光再結合のエネルギーに起因するという考え方によるものです。
一方、ジャンクションの温度は、以下の式で表されます。
Tj = Rth · IF · VF + Ta............ (4-3)

5-2 放射照度: PE
LEDの発光部から2 cm離れたところでの、単位面積(1 cm × 1 cm)あたりの光量です。指向特性の強い素子では、上記の領域内で光量の分布が一様ではありませんが、一般的にパワーの比較をするときの目安としては、この測定で十分です。

6. 信頼性試験
浜松ホトニクスのLEDの信頼性試験はJEITA (電子情報技術産業協会)を基本としています。主要な信頼性試験は以下のとおりです。

n 主要な信頼性試験
試験項目

Rth: 熱抵抗
VF : 順電圧
Ta : 周囲温度式 (4-1), (4-2), (4-3)を用いることにより、一つの寿命試験条件のデータから、他の条件での劣化率が計算により求められます。
たとえば、DC50 mAで3000時間までの寿命試験データがあれば、そのデータを用いて式 (4-1)よりbを求めることができます。このbを用い式 (4-1)からこの条件での3000時間以降の劣化の状態を計算することができます。また、これと同じ製品で異なる条件での寿命を計算するには、式 (4-3)よりTjを求め、前に求めたbと合わせて式 (4-2)へ代入しboを求めます。 boが求められれば目的の試験条件の値を式 (4-2)に入れて、劣化率bが求められます。
なお、活性化エネルギーEaは0.5〜0.8 eVの値が用いられ、熱抵抗はTO-18 (TO-46)のパッケージでは300〜350 ˚C/W程度です。

試験条件

ED-4701

端子強度

引張り 10秒間, 曲げ 90度 2回

A-111

振動

100〜2000 Hz, 200 m/s2 計48分

A-121

衝撃

1000 m/s2, 6 ms, XYZ 各3回

A-122

はんだ付け性 235 ± 5 ˚C, 5秒間または2秒間

A-131

はんだ耐熱性
高温保存

260 ± 5 ˚C, 10秒間

A-132(SMD以外)

リフロー 235 ˚C, 10秒間

A-133(SMD)

Tstg Max. 1000時間

B-111

低温保存

Tstg Min. 1000時間

B-112

高温高湿保存85 ˚C, 85 %, 1000時間

B-121

温度サイクルTstg Min. 〜 Tstg Max.
空気, 各30分, 10サイクル

B-131

連続動作

25 ± 5 ˚C, IF Max. 1000時間

D-511

注) 準拠規格 ED-4701 半導体デバイスの環境及び耐久性試験方法

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