照明のLED：基本的な物理学とエネルギー節約の見通し

2014年、赤井の村、長野島、および中村島は、効率的でエネルギー効率の高い白い光源の開発を促進した効率的な青色光発光ダイオードの作成に対して、物理学のノーベル賞を受賞しました。近年では、発光ダイオード（LED）住宅照明セクターやその他の大衆市場にますます浸透しています。この記事では、LEDの物理学の概要、2014年のノーベル賞で頂点に達した主要なブレークスルー、およびLEDが促進する可能性のある省エネの可能性を提供しようとしています。

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光発光ダイオード（LED）は、1960年代にはインジケーターランプと赤外線リモートコントロールで発信された数十年にわたって日常生活に不可欠でした。しかし、ノーベル物理学賞は2014年に特にブルーLED専用に付与され、最終的には白色光の生産が可能になりました。この記事の目的は、基本的なLED物理学を解明して、特に照明用途向けの優れた光エミッターとしての可能性を実証することを目的としています。また、現代のLEDに貢献した発明の簡単な歴史を提供し、赤崎、山野、中村に授与された2014年のノーベル物理学賞の背後にある理論的根拠を説明します。最終的に、私は、個々の消費者が購入するのが経済的に賢明な場合、現代のLEDが真に省エネルギーの節約をもたらし、より実用的にもたらすかどうかを調べますLED電球家の照明用。

このセクションでは、無機半導体のエレクトロルミセンスに集中し、現代のLEDの根底にある物理学の説明に集中して、エレクトロルミネッセンスの歴史の簡単な概要を説明します。エレクトロルミネッセンスは、電流が物質を通過すると光が放出される現象です。白熱電球（「edison」電球）は電気ルミネシスであると主張されるかもしれません。ただし、このシナリオでは、現在の流れが材料を加熱し、光発光はフィラメントの高温のみからの結果です。したがって、電流の流れが光発光メカニズムを直接促進する場合、エレクトロルミネッセンスを参照する方が正確です。エレクトロルミネッセンスの最初の文書は、1907年にMarconi Companyが採用したHJラウンドによって行われました。彼は、シリコン炭化物標本（当時はカーボンダムと呼ばれていた）を偏らせ、電極の配置と電圧に応じて異なる色の光を観察しました。彼は当時の現象を理解していませんでした。 20年後、Nizhny Novgorod Radio Laboratoryの若いロシアの技術者であるOleg Rosevは、炭化シリコン光発光ダイオードの実験的観察と理解において大きな進歩を達成しました。具体的に、彼は1929年に1929年にその後の主張を含む特許を提出しました。「提案された発明は、炭素材検出器で発光の確立された発光現象を採用しています。このような検出器の利用を伴い、迅速な電信および電話通信を促進するために、迅速な電信および電話の伝達、およびラミネントポイントのポイントを使用する場所に、迅速な電信通信、イメージを促進します。サーキット。」これは本当に驚くべきことです。26-物理学における正式な教育が限られている年齢の労働者は、1929年に半導体光源の電気的変調を使用してデータの高額な転送を特許しました。 1940年代には、半導体の理解と制御の強化により、最初のP – N接合部が作成され、その後に最初のトランジスタが発明されました。したがって、よく発達したp – i – n接合物を使用している初期LEDは、製造および強化される可能性があります。
半導体は、ドーパントとして知られる不純物の導入によって導電率を変更できる物質です。無機半導体は、電子のエネルギー帯が特徴とする、シリコン（SI）、ヒリニドガリウム（GAAS）、インジウムリン化インジウム（INP）、および窒化ガリウム（GAN）などの結晶材料です。最上部占有エネルギーバンドは、非視線半導体の電子で満たされた価電子帯と呼ばれますが、伝導帯として知られるその後の高エネルギーバンドは、非視線の半導体では完全に空いています。伝導帯の最小値と価数帯域の最高のエネルギーの格差は、半導体のバンドギャップと呼ばれます。半導体の光発光プロセスは簡単です。電子が伝導帯を占有し、価数帯（穴と呼ばれる）に空室が存在する場合、伝導帯域電子は価数帯域の空き状態を占有し、エネルギー差（バンドギャップ）を放出光子として放出することができます（図1）。電子と穴が再結合され、光子が放出されます。このプロセスは、半導体の大部分で発生します。これは、シリコンやゲルマニウムなどの間接的な半導体として知られる顕著な例外を除き、光子放出が直接許可されていないため、有意な非効率性が生じます。半導体LEDを製造するには、材料内の原子価帯域に伝導帯と穴に電子を同時に配置することが不可欠です。これは、ドーピングが重要性を想定する場所です。本質的な半導体は、電子運動に利用可能な状態が存在しないために原子価帯の電子が動かないままであるため、絶縁体として機能します。それにもかかわらず、半導体は2つの異なるマナーをドープできます。不純物が原子ごとに追加の電子を持つ結晶に組み込まれると、これらの余剰電子は伝導帯に移行します。たとえば、GAAS結晶中のSi原子でいくつかのGA原子を置き換えると、伝導帯に電子が存在することを特徴とするN型ドーピングが生じます。逆に、電子のない不純物を導入することができ、原子価帯に穴が存在することを特徴とするP型ドーピングをもたらします。重要な側面は、ドーパントが結晶構造内のマイノリティ原子を構成することです。100万の標準原子の中の単一のドーピング原子は、電気伝導率を大幅に向上させることができます。ドーピングレベルをマスターすることは、半導体の電気的特性をカスタマイズするために不可欠です。 1940年代と1950年代に始まったこの専門知識は、マイクロエレクトロニクスとオプトエレクトロニクスの革命を引き起こしました。半導体からの光発光の基本的な構成には、n型（伝導帯に電子を含む）とp型（穴、または電子帯域に電子の不在）が統合されます。電気バイアス、電子、穴にさらされると、反対方向に横断する場合 - 価数バンドの左移動穴がPN接合部での右方向に移動する電子変換に対応し、光子を放出する組換えをもたらします（図2）。研究コミュニティが理解すると、必要なアクションが明らかになりました。正確に制御されたP型およびN型ドーピングを使用して高品質の結晶を合成する能力です。最初のGAAS赤外線LEDは1962年に展示され、その後、他のチームが開発した最初の可視LEDによって成功しました。 General Electricの研究者であるN. Holonyakは、GAASP合金を提唱し、最初の目に見える半導体ダイオードレーザーを紹介できるようにしました。とりわけ、半導体光エミッターの理解と制御を大幅に進めたN. Holonyakを認めることが不可欠です。 1963年、Nick Holonyakは、読者のダイジェストで、半導体LEDが最終的に一般的な照明用途向けのすべての電球に取って代わると予測しました。彼はこの予測を生成するためにどのような基準を利用しましたか？ Holonyakは、白熱電球が黒体エミッターと同様に機能し、フィラメント温度と相関するスペクトル曲線を生成することを認識しました。温度が上昇すると、発光スペクトルはより短い波長にシフトします。最も効率的な白熱電球は、主に赤外線を放出します。これは照明に効果がなく、代わりに熱源として機能します。電力の可視光学電力への変換は、本質的に約5％に制約されています。半導体LEDでは、物理学は大幅に分岐します。電力のほぼ100％を光学電力に変換することができ、発光波長が十分に変換されます（特に、バンドギャップはエネルギーとその結果、放出光子の波長を決定します）。いくつかの可視波長を放出するLEDを装備したデバイスを想像することができます。それぞれが高い（好ましくは統一）変換効率を示しているため、熱損失のない可視白色光（または目に見える色の選択された組み合わせ）の放射を可能にします（図3）。これは、理論的には機能する必要があります。唯一の課題は、特定の波長で非常に効率的なLEDを製造するために必要な技術的成熟度を達成することです。この努力はその後数十年間半導体研究者を占領し、最終的に2014ノーベル賞。
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