LEDはネガティブとポジティブな半導体でできている。

2014-05-28

Tomo_Chan

みなさん、この記事を読んでいただきありがとうございます。Tomo_Chanです。

前回の記事で仰ったとおりLEDの構造について紹介しようと思っています。LEDを説明する前に知っておいて欲しいは言葉は…真性半導体, n型半導体, p型半導体の3つの言葉を覚えていればLEDは簡単に理解できます。

1.真性半導体

真性半導体は本当に意味では違うけどn型やp型になる前の半導体の状態と考えて欲しい。半導体材料だとケイ素とかゲルマニウムの結晶の集合体が真性半導体だ。半導体業界ではケイ素をシリコン(Si)と呼称されているのでケイ素=シリコンと覚えていて欲しい。

私も半導体を学び始めたころは周りはシリコン、シリコンと言うので話がかみ合わなかったことがしばしば…。元素記号をフルで読めば当たり前ことなんですけどね。それはさておき、このシリコンが共有結合しているのをイメージできるだろうか。原子番号14番なので最外殻電子が4つある。Si同士がお互いに1つ電子を出し合って対になってる状態で結合している。

皆さんはこの真性半導体からどうやってn型やp型にすると思います?これは本当に発想がすごい。どうやって思いついたのか不思議なぐらい。簡単に言うと真性半導体に不純物を添加して真性半導体の電子の数が多いのか少ないのか。←これで結構、混乱する人が多い、私もそうでした。

2.n型半導体

SiやGeに5価の元素を添加して結晶成長させることによってn型になる。先ほど、説明したSiの共有結合のイメージを思い出して欲しい。このたくさんのSiがある中で5価の元素を添加するとどうなるか。基本はお互いに電子を出し合って対になる。しかし、5価の元素はSiよりも電子が1つ多いのでSiの電子と対にならず余っている状態の電子が1つある。これが自由電子といって半導体に電気伝導性をもたらす重要なモノ。

なぜこれをn型半導体と呼ぶのか?

電子の数が真性半導体より多いのだからp型じゃないのか?って思う人もいると思う。確かにその通りだと思う。私も半導体を勉強し始めた時は混乱した。テストの時とかも苦労した。これもイメージでしかないけど、半導体の電荷状態を考えて欲しい。電子が多いというこは真性半導体より負に電荷していることになる。だから”-(マイナス)”→ネガティブ→n(頭文字をと取って)となっているだけなんです。

3.p型半導体

ここまでくればp型半導体にする方法は分かると思います。n型とは逆のことをやればいいだけなんです。電子状態を少ない共有結合にすればOK。つまり3価の元素を添加してやればp型になる。今度は電子が1つ少ないので1つ隙間できる形になっている。これを正孔(ホール)といって自由電子と同様で重要なモノ

なぜこれをp型半導体と呼ぶのか?

お分かりだと思いますが電荷状態を考えて欲しい。電子が1つ足りないのだから真性半導体より正に電荷していることになる。だから”+”→ポジティブ→pとなっている。

4.pn接合

LEDはp型とn型半導体を2つを合わせることによってできています!これをpn接合と言うので気になる人は調べて欲しい。p型とn型の界面ではホールと電子が打ち消しあって何もない空間ができる。これを空乏層という。この状態では電流は流れてくれないので家庭用の電源や何らかの電源によってバイアスをかけないといけません。バイスアスをけかけることによってお互いの自由電子と正孔が引きよせられpn接合界面で再結合します。この時に発光するのです!

なのでLED照明は点灯している時は自由電子と正孔が出会ってるだ!ぐらい感じで思い出してください。※現在のLEDの半導体材料は化合物半導体なので全部の半導体がSiというわけではないので注意してください。

次回はLEDの光の色とバンドギャップの関係について紹介か大学か研究室の雰囲気を紹介したいと思います。またの機会にお会いしましょう!

 

 

画像出典:https://goo.gl/KtZCbp

Tomo_Chan 長岡技術科学大学大学院工学研究科修士2年

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