LEDの光起電力についてight Emitting Diod本書内に記載する型番NCSW170F、NCSA170F、NJSW170F、NCSW193F NC5W193F、NFSW172C、NFSA172C は、弊社製品の型番であり、商標権を有する可能性のある他社製品といかなる関連性・類似性を有するものではありません。 This document contains tentative information, Nichia may change the contents without notice.

1.概要
半導体に光を照射することで起電力が発生する現象を光起電力効果と言い、発生した起電力のことを光起電力と言います。フォトダイオードや太陽光発電セルなどはこの光起電力を利用しています。 LEDも半導体の一種なので光起電力が発生します。しかし意図せず発生した起電力は駆動回路の誤動作や回路部品の破壊を引き起こす可能性があり、注意が必要です。本書ではLEDの光起電力効果について解説します。
2. LEDの光起電力について
2.1. LEDの発光および光起電力発生の仕組みLEDの発光および光起電力発生の仕組みを一般的なpn接合を例に説明します。(図1、2) LEDの発光LED を電源に接続すると電源からキャリア(電子および正孔)が供給されます。供給された電子は空乏層'を通過してp領域に、正孔はn領域に向かって移動し再結合します。この再結合の際に失うエネルギーが光として放出されます。発生する光の波長(発光色)はエネルギーギャップによって決まります。光起電力の発生LED に電源を接続していない状態で外部から光²が照射されると、光励起を起こしキャリアが作られます。空乏層で作られたキャリアはその場で再結合せずに空乏層内の電界によって移動(拡散)します。これにより電位差(起電力)が発生します。この時LEDに回路が接続されていると、光起電力により電流が流れ回路の誤動作や回路部品の破壊を引き起こす場合があります。 Jht Emitting Dioc
2.2. LEDの光起電力効果についてー般的な整流ダイオードとLEDの構造上の違いを図3、4に示します。整流ダイオードは図3のようにチップが黒色の樹脂パッケージで覆われ造光されています。そのためチップは外部光の影響を受けず、光起電力は発生しません。対してLEDは、チップや蛍光体から発せられた光を外部に取り出す必要があるため光を透過しやすい構造になっています。外部からLEDの発光面に照射された光は図4のように蛍光体の隙間を通り抜けチップに到達することができるため、光起電力が発生し易くなります。
2.3.光起電力が発生しやすい条件
LEDに照射される光が明るい、すなわち照度が高いほどLEDで発生する光起電力は大きくなります。一般的な生活環境における参考照度を図5に示します。屋外の直射日光下は照度が非常に高いため、屋外で使用されるLED器具(信号機や屋外ディスプレイ、自動車のライトなど)は光起電力が発生しやすく注意が必要であると言えます。また光源の明るさが同じでも照射対象との距離によって照度は変動します。参考に自動車のヘッドライトによる照度値の測定結果を図６に示します。照射距離が短いほど距離による照度値の変動が大きいことがわかります。このように近接照射によって意図せず大きな照度値になることもあるので注意が必要です。照度値と光起電力の関係を評価したので次章でご紹介します。 ight Emitting Diodo

3.光起電力の測定
LEDの発光面に外部から光を照射させたときに発生する起電力(電圧差)を測定しました。 3.1.測定条件評価サンプル:弊社製品の中から構造の異なるLEDを選定しました。表1を参照してください。
ght Emitting Dioc照射光源:  LEDに光を照射するための光源は一般的な白色LEDを使用しました。使用したLEDの代表スペクトルを図7に示します。評価照度:  500～100,000 lx評価方法: 照射光源の明るさを調節しながら各照度値における起電力(LED端子間の電位差)をオシロスコープで測定しました。図8、9を参照してください。 ³各製品の定格電流駆動における順電圧の標準値。 This document contains tentative information, Nichia may change the contents without notice.
3.2.測定結果測定結果を図10、11に示します。図10.測定結果この測定結果より以下のことがわかります。 ・照度が高いほど発生する起電力は大きくなります。屋外環境相当(10,000lx以上)では起電力が大きく、周辺回路に影響を及ぼす可能性があります。 ・チップの大きさやパッケージ構造によって起電力の大きさは異なります。ただし照度が高くなり起電力が飽和すると差は小さくなります。 (No.1、3、4、6 参照）光起電力の最大値はエネルギーギャップによって決まりますが、いずれも同等のエネルギーギャップである青色チップを使用しているため最大起電力も同等の値になったと考えられます。ただし構造によって光の取り込み量に差が出るため、電圧が飽和するまでの間は起電力の大きさに差が生じたと考えられます。 ・同構造の搭載チップ数違いであるNo.4 : NCSW193F(1チップ)とNo.5 : NC5W193F(5チップ直列接続)を比較するとNo.5の起電力の大きさがNo.4の約5倍となっています。このことから発生する起電力の大きさはチップの直列数に比例すると考えられます。 ・同構造の色違いであるNo.1 : NCSW170F(白色)とNo.2 : NCSA170F(アンバー色)を比較すると、白色よりもアンバー色の起電力の方が小さくなっています。これは白色よりもアンバー色の蛍光体濃度が高く、外部から入射した光がチップまで到達しにくいためと考えられます。 • No.7:NFSA172C(アンバー色)は逆方向に起電力が発生しています。これはLEDに内蔵されている保護素子(ツェナーダイオード)で発生した光起電力が原因であると考えられます。上記の通りアンバー色は蛍光体濃度が高いため外部から照射された光の多くはそのまま透過せずに蛍光体によって黄色や赤色の光に変換されます。搭載されている LED チップは青色なのでそれよりもエネルギーの小さな黄色や赤色の光で光起電力は発生しませんが、ツェナーダイオードはエネルギーギャップが小さいため黄色や赤色の光でも光起電力が発生します。保護素子としてのツェナーダイオードは図 12のようにLEDチップとは逆極性に並列で接続されているため、ツェナーダイオードで発生した起電力もLEDに対して逆の極性で現れます。なおNo.2:NCSA170Fも同じくツェナーダイオードを搭載するアンバー色のLEDですが、ツェナーダイオードが反射材で覆われ光が当たらない構造になっているため逆方向の起電力は発生していません。 ight Emitting Diod This document contains tentative information, Nichia may change the contents without notice.

4.まとめ
LED は構造上、光起電力が発生しやすい素子です。使用環境や使用方法によっては大きな起電力が発生し周辺回路の誤動作や部品の破壊を引き起こす恐れがあります。これを防ぐには外部から光が入射しないような構造や、起電力が発生しても周辺の回路に影響を与えないような保護回路の設置が有効です。本書では光起電力の測定結果をご紹介しましたが、様々な要因によって発生する起電力の大きさは異なります。想定される使用条件において、LEDで発生した光起電力が周辺回路に影響を与えないことをご確認ください。

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