《機械》〈照明〉[H27:問4] 固体発光の原理に関する空欄穴埋問題

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【用語の解説】
4 【解答】

【問題】

【難易度】★★★☆☆（普通）

次の文章は，固体発光の原理に関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選びなさい。

光の発生方法は，①熱放射によるもの，②ルミネセンスによるものの二つに大別される。ルミネセンスは，熱放射以外の発光を総称したものであり，原子，分子，イオン又は電子が外部からのエネルギーを吸収して励起，イオン化又は加速するなどした後，それらが吸収したエネルギーを放射エネルギーとして再び放出する発光現象である。

近年，発光ダイオード($ \ \mathrm {LED} \ $)の普及に伴って，ルミネセンスは，固体発光を応用したものと放電現象を応用したものとに区分されるようになった。固体発光を応用した光源には，$ \ \fbox {　（１）　} \ $で発光する真性$ \ \mathrm {EL} \ $(エレクトロルミネセンス)と電流で発光する注入形$ \ \mathrm {EL} \ $とがある。

発光ダイオードは注入形$ \ \mathrm {EL} \ $であり，その原理は以下のようになる。半導体の$ \ \mathrm {p} \ $形に正電圧，$ \ \mathrm {n} \ $形に負電圧を印加し，$ \ \fbox {　（２）　} \ $方向に電流を流すと，$ \ \fbox {　（３）　} \ $に正孔と電子とが流れ込み再結合する。このとき，正孔と電子とのエネルギー差に相当する$ \ \fbox {　（４）　} \ $の光が発生する。

$ \ \fbox {　（５）　} \ $は，発光ダイオードと同様に，正孔と電子との再結合で発光する。$ \ \mathrm {OLED} \ $とも呼ばれ，注入電流が効率，寿命などの特性に大きく影響する。

〔問4の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　光　色　　　　　&（ロ）&　輸送層　　　　　&（ハ）&　正 \\[ 5pt ] &（ニ）&　接合層　　　　　&（ホ）&　無機 \ \mathrm {EL}　　　　　&（ヘ）&　電　界 \\[ 5pt ] &（ト）&　緩衝層　　　　　&（チ）&　有機 \ \mathrm {EL}　　　　　&（リ）&　逆 \\[ 5pt ] &（ヌ）&　振動数　　　　　&（ル）&　放　射　　　　　&（ヲ）&　磁　界 \\[ 5pt ] &（ワ）&　順　　　　　&（カ）&　光　度　　　　　&（ヨ）&　分散形\mathrm {EL}
\end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

$ \ \mathrm {LED} \ $の発光原理は下図に示すように$ \ \mathrm {pn} \ $接合した半導体に順方向電流を流すと，その接合面にて正孔と電子が再結合して発光します。その際，材料等によって決まる正孔と電子のエネルギー差に相当する振動数の光が発光しますが，その関係は$ \ E=h\nu \ $($ \ h \ $：プランク定数，$ \ \nu \ $：振動数)となります。

【用語の解説】

（イ）光色
　光源の光の色のことで，光の波長(振動数)によって決まります。
（ロ）輸送層
　正孔や電子を輸送する相で，上図で言うと半導体部分のことを言います。
（ニ）接合層
　$ \ \mathrm {p} \ $形半導体と$ \ \mathrm {n} \ $形半導体を接合している箇所で，$ \ \mathrm {LED} \ $においては正孔と電子が再結合し，発光する箇所になります。
（ホ）無機$ \ \mathrm {EL} \ $
　$ \ \mathrm {ZnS} \ $などの無機物に電流を流して発光させます。価格は安いですが，光の強度や演色性が有機$ \ \mathrm {EL} \ $と比較して劣る面があります。
（ト）緩衝層
　結晶構造の異なる二つの物質を分子的に接合する際，その間に作成する中間的な結晶構造をもった物質の層。
（チ）有機$ \ \mathrm {EL} \ $
　有機物に電流を流して発光させる$\mathrm {EL}$で，テレビやパソコンに使用されています。
（カ）光度
　光速を立体角で割ったもので，単位は$\mathrm {[cd]}$を用います。
（ヨ）分散形$ \ \mathrm {EL} \ $
　無機$ \ \mathrm {EL} \ $の製造工程で使用する方法を分散形と言い，無機分散形$ \ \mathrm {EL} \ $という呼び方をします。

【解答】

(1)解答：ヘ
題意より，解答候補は（ヘ）電界，（ル）放射，（ヲ）磁界，（カ）光度，になると思いますが，真性$ \ \mathrm {EL} \ $は電界で発光するものです。

(2)解答：ワ
題意より，解答候補は（ハ）正，（リ）逆，（ワ）順，になると思います。ワンポイント解説の通り，$ \ \mathrm {LED} \ $は順方向の電流を流すことによって発光します。方向的には正しいですが，あまり正方向と言う言い方はしません。

(3)解答：ニ
題意より，解答候補は（ロ）輸送層，（ニ）接合層，（ト）緩衝層，になると思いますが，ワンポイント解説の通り，発光するのは接合層となります。

(4)解答：ヌ
題意より，解答候補は（イ）光色，（ヌ）振動数，（カ）光度，となると思います。光色でも完全な間違いではない気もしますが，正孔と電子のエネルギー差に相当するという文言から振動数もしくは波長が最も適当と考えられます。

(5)解答：チ
題意より，解答候補は（ホ）無機$ \ \mathrm {EL} \ $，（チ）有機$ \ \mathrm {EL} \ $，（ヨ）分散形$ \ \mathrm {EL} \ $，となりますが，$ \ \mathrm {OLED\left( \ Organic \ Light \ Emitting Diode \ \right) } \ $と呼ばれるのは有機$ \ \mathrm {EL} \ $となります。