LEDの発光原理について

質問

現在LEDのことについて調べております。
その過程の中で疑問点が発生したので質問致します。

N型半導体は伝導電子を多く持ち、これがP型半導体の正孔と結合することで発光するということは理解できます。
その際電圧をNに負、Pに正をかける必要があると思うのですが、このときP型半導体に移動していく電子はN型半導体に当初からある伝導電子なのでしょうか。

私はそのように解釈していたのですが、このことを説明したとあるサイトで電源から電子が供給されるとあったので疑問に思っています。
個人的にはマイナスの電圧に反発した伝導電子がP型半導体の方に移動すると考えていたので混乱中です。
加えて私の考えが正しいとすると、伝導電子が全て結合して消滅したらLEDは発光しなくなるのでしょうか。

どうかご回答をお願いいたします。

回答No.3

inara1

＞N型半導体は例えばシリコンにリンをドーピングすることで励起しやすい電子を増やしていると思うのですが、電源から電子が供給されるのであればわざわざこんなことをしなくても良いことになりませんか
ドーピングしないと自由に動く電子ができないので、電流の素（負電荷）を運べません（電流が流れない）。ドーピングすることで半導体中に自由に動く電子ができます。ドーピング濃度が大きいほど自由に動く電子が多くなるので電流が流れやすくなります（電気抵抗が小さくなります）。ｐ型半導体でもドーピングすることで自由に動く正孔ができます。これが電流のもう一方の素の（正電荷）を運びます。pn接合では、ｎ型半導体とｐ型半導体に別の電流の素があるので、ｎ型もｐ型もドーピングしないと電流が流れません。

自由に動く電子があるだけなら金属と同じですが、金属の場合には電子しかなく、しかも電圧の向きを変えればその向きに応じた方向に電流が流れます。しかしpn接合の場合、電圧の向きによって電流が流れやすい方向と流れにくい方向ができます（整流作用）。

回答No.2

inara1

>P型半導体に移動していく電子はN型半導体に当初からある伝導電子なのでしょうか
その通りですが、n型半導体には電極（カソード）から常に電子が供給されているので、n型半導体の電子がなくなってしまうことはありません。同様に、p型半導体には電極（アノード）から常に正孔が供給されているので、p型半導体の正孔がなくなってしまうこともありません。

電子と正孔がどのように流れるかは、ここ（http://kccn.konan-u.ac.jp/physics/semiconductor/diagram/a09.html）のアニメーションが参考になると思います。LEDはpn接合ダイオードの一種なので、電子と正孔の流れはダイオードと同じです。右側の 0V と書かれたスライダ（ダイオードの印加電圧）をマウスで上下に動かしてみると、電子（青色）と正孔（白色）がどのように動いていくのかが分かると思いますが、電子や正孔は電極から常に補給されているのでなくなったりしません。

LEDはpn接合界面で電子と正孔が再結合して光に変わりやすいのですが、普通のダイオードではその確率が非常に低い（ほとんど光らない）というだけの違いで、電子と正孔の流れは同じです。

＞マイナスの電圧に反発した伝導電子がP型半導体の方に移動する
ちょっと難しくなりますが、LEDの電流成分にはそういうメカニズムで流れるものもあります（ドリフト電流といいます）。それ以外に、上のアニメに出ているように、坂道の傾斜が緩くなったことによって、n型半導体からp型半導体に電子が広がっていく拡散電流というものもあります（p型半導体からn型半導体に正孔が広がっていくのも拡散電流です）。印加電圧が小さいときは拡散電流が多く、電圧が大きくなると、拡散電流よりもドリフト電流が大きくなっていくという感じです。

補足

すいません、まだ少々理解できないのですが、

>n型半導体には電極（カソード）から常に電子が供給されているので、n型半導体>の電子がなくなってしまうことはありません。同様に、p型半導体には電極
>（アノ ード）から常に正孔が供給されている

というのはどういうことでしょうか。
N型半導体は例えばシリコンにリンをドーピングすることで励起しやすい電子を増やしていると思うのですが、電源から電子が供給されるのであればわざわざこんなことをしなくても良いことになりませんか。
再結合しなかった伝導電子が巡るにしてもいずれは再結合により価電子になってしまうのではないでしょうか。
またP型半導体についても、正孔はアクセプタ原子に電子をとられることで形成されると思うのですが、どうすれば電源から正孔が供給されるのでしょうか。
ご面倒だとは思いますがご回答いただけたらと思います。

回答No.1

fusem23

電子の動き自体は、普通の物質と変わらないと思いますよ。
電子がエネルギー順位の異なる原子に移った時、その差に相当するエネルギーが光となって放出されるのです。

電源から供給された電子が、Ｎ型半導体中の原子に移り、それが順々に原子を変えながら、全体として電子がＰ型半導体の方に移動して行くのです。
Ｐ型半導体に移った電子も、順々に原子を渡り合いながら、＋電極に移動していきます。

普通の物質との違いは、Ｎ型半導体にもＰ型半導体にも、電子の指定席が用意されているというだけです。

補足

＞電源から供給された電子

とありますがそもそも電流が流れるのは物質内の自由電子が電圧をかけられることで移動した時に起きると考えていたのですが間違いなのですか。

＞普通の物質との違いは、Ｎ型半導体にもＰ型半導体にも、電子の指定席が用＞意されているというだけです。

このことは電源から電子が供給されるとして、その電子はN型半導体であれば伝導電子として扱われるということでしょうか。
またP型半導体においてはどういうことなのでしょうか。

無知な質問ではあると思いますが、どうぞご回答よろしくお願いします。