半導体で

質問

半導体の発光原理を知りたいです。

回答No.2

Umada · ベストアンサー

半導体の発光は基本的に正孔と自由電子との結合によって起こります。(もちろん数百度以上に加熱すれば他の物質と同様に輻射でも発光しますが、まあそれは冗談として)

半導体の中には正孔や自由電子といったものがあるのはご存じだと思います。もし正孔と自由電子が出会うと、それらは合体(再結合)して消滅します。その際に自由電子と正孔のエネルギーの和に相当する波長の光が出ます。ただ熱的に平衡な半導体であれば、外界に出す光エネルギー＝外界から貰う光エネルギーですし、また正孔と自由電子の再結合の機会も極めて少ないですから実質的には発光していないも同然です。
積極的に発光させるには、外部から電流(すなわち、正孔や自由電子)を供給したり、あるいはレーザ光を当てたり、といったことが必要です。前者が発光ダイオードやレーザダイオードの原理で、後者はフォトルミネッセンスなどと呼ばれる現象です。

もう少し詳しく説明するなら以下の通りです。半導体のバンドダイヤグラムについてはご存じとの前提でお話をします。

半導体のpn接合に、電流の通る向き(p→n)に電圧をかけると、下の図のようにnには自由電子がどんどん供給され、pには正孔が供給されます(=電子がどんどん取り去られる)。で、間の空乏層でそれらは結合し、発光します。レーザダイオードは中間の部分に自由電子・正孔の双方が溜まり易いように工夫し、さらにダイオード自体が光共振器になるように設計されたものです。(中間層で自由電子・正孔とも豊富に存在するので再結合しやすく、効率的に発光させられる)

　n型　　空乏層　　p型
　　　　　　　━━━━伝導帯
　●●●●●／
　━━━━／↓
　　　　　↓↓
　　　　　↓↓━━━━価電子帯
　　　　　↓／○○○○
　━━━━／

ダイオードのバンドダイヤグラム

光を当てた場合ですが、下の図において価電子帯の電子が光からエネルギーを貰って伝導帯に飛び上がり、最後はまた価電子帯に落ちてきます。そのエネルギーに相当するだけの光を出します。(通常は当てた光と異なる波長の発光ですので分離して観察できます)

↑エネルギー
｜　 ●
｜　●伝導帯
｜●
｜　↑
｜　｜バンドギャップ
｜　｜
｜　↓
｜○
｜　○価電子帯
｜　 ○

　　→電子の波数ベクトル　k

回答No.1

Hiyuki

発光ダイオードのことですか？それであれば。
でも、私は素人ですので、探すだけでご勘弁を。
http://mos.ec.t.kanazawa-u.ac.jp/AP/LED/led.html

参考URL：

http://www.kictec.co.jp/solar/GENRI/Led1.htm