《機械》〈照明〉[H18:問7]発光ダイオード(LED)の原理や材料に関する空欄穴埋問題

Contents

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

次の文章は，発光ダイオード$ \ \left( \mathrm {LED} \right) \ $に関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる語句又は式を解答群の中から選び，その記号をマークシートに記入しなさい。なお，解答群では，$ \ c \ $は真空中の光の速さ，$ \ h \ $はプランクの定数，$ \ k \ $はボルツマンの定数，$ \ \nu \ $は振動数，$ \ \lambda \ $は波長を表す。

発光ダイオードは，半導体の$ \ \mathrm {pn} \ $接合に拡散電圧以上の電圧を印加し，$ \ \fbox {　（１）　} \ $を流すと，発光層に$ \ \mathrm {p} \ $形から正孔，$ \ \mathrm {n} \ $形から電子が流れ込み，ここで再結合する。このとき半導体の禁止帯幅$ \ E_{g} \ \mathrm {[eV]} \ $に相当する$ \ \fbox {　（２）　} \ $のエネルギーを持つ光子を放出して発光する。材料には，禁止帯幅の大きい周期表の$ \ \fbox {　（３）　} \ $の半導体が主に使用され，発光色は，半導体の種類や構成を変えることにより種々のものを得ることができる。
白色$ \ \mathrm {LED} \ $は，三原色の$ \ \mathrm {LED} \ $を組み合わせて白色化する方法と，$ \ \mathrm {LED} \ $の色光と蛍光体とを組み合わせて得る方法とがあるが，後者では$ \ \fbox {　（４）　} \ \mathrm {LED} \ $に$ \ \fbox {　（５）　} \ $の蛍光体を組み合わせ白色化したものが普及している。

〔問7の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　ck　　　　　&（ロ）&　青　色　　　　　&（ハ）&　Ⅱ族とⅥ族 \\[ 5pt ] &（ニ）&　逆方向電流　　　　　　　&（ホ）&　黄　色　　　　　&（ヘ）&　Ⅰ族とⅣ族 \\[ 5pt ] &（ト）&　だいだい色　　　　　&（チ）&　c\lambda　　　　　&（リ）&　順方向電流 \\[ 5pt ] &（ヌ）&　緑　色　　　　　&（ル）&　h\nu　　　　　&（ヲ）&　赤　色 \\[ 5pt ] &（ワ）&　紫　色　　　　　&（カ）&　Ⅲ族とⅤ族　　　　　　　&（ヨ）&　ランプ電流 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

$ \ \mathrm {LED} \ $の発光原理や種類に関する問題です。
$ \ 3 \ $種でも$ \ \mathrm {LED} \ $の発光原理について出題されますが，本問はもう少し深堀りした内容となっています。

1.$ \ \mathrm {LED} \ $の発光原理
$ \ \mathrm {LED} \ $は，図1のように，$ \ \mathrm {pn} \ $接合した半導体に順方向電圧を加え，$ \ \mathrm {p} \ $形半導体と$ \ \mathrm {n} \ $形半導体の界面にて電子と正孔が再結合することにより発光します。
$ \ \mathrm {LED} \ $の発光波長$ \ \lambda \ \mathrm {[nm]} \ $は，禁制帯幅$ \ E_{\mathrm {g}} \ \mathrm {[eV]} \ $，プランクの定数$ \ h \ \mathrm {[eV\cdot s]} \ $，光速$ \ c \ \mathrm {[m / s]} \ $であるとすると，
\[
\begin{eqnarray}
\lambda &=&\frac {hc}{E_{\mathrm {g}}}\times 10^{9}≒\frac {1 \ 240}{E_{\mathrm {g}}} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] で決まるため，発生する光は半導体の禁制帯幅により決まる単色光となります。
したがって，$ \ \mathrm {LED} \ $を使って照明用の白色光を得るためには，青色$ \ \mathrm {LED} \ $からの青色光の一部を黄色を発光する蛍光体に照射し，それらを混ざり合わせることで疑似の白色光を発光させます。
$ \ \mathrm {LED} \ $の開発は，周期律表の主にⅢ族とⅤ族の化合物半導体が用いられ，$ \ \mathrm {AlGaAs} \ $ の赤色や$ \ \mathrm {GaP} \ $の黄色，$ \ \mathrm {GaN} \ $の青色等があります。

【解答】

(1)解答：リ
題意より，解答候補は（ニ）逆方向電流，（リ）順方向電流，（ヨ）ランプ電流，になると思います。
ワンポイント解説「1.$ \ \mathrm {LED} \ $の発光原理」の通り，発光ダイオードは半導体の$ \ \mathrm {pn} \ $接合に順方向電流を流すことで発光します。

(2)解答：ル
題意より，解答候補は（イ）$ \ ck \ $，（チ）$ \ c\lambda \ $，（ル）$ \ h\nu \ $，になると思います。
半導体の禁止帯幅$ \ E_{g} \ \mathrm {[eV]} \ $は$ \ E_{g}=h\nu \ $の関係があり，光の振動数に比例します。振動数は光の波長に反比例するため，発光する波長は禁制帯幅により決まります。

(3)解答：カ
題意より，解答候補は（ハ）Ⅱ族とⅥ族，（ヘ）Ⅰ族とⅣ族，（カ）Ⅲ族とⅤ族，になると思います。
ワンポイント解説「1.$ \ \mathrm {LED} \ $の発光原理」の通り，発光ダイオードの材料には，周期表のⅢ族とⅤ族の半導体が主に使用されます。

(4)解答：ロ
題意より，解答候補は（ロ）青色，（ホ）黄色，（ト）だいだい色，（ヌ）緑色，（ヲ）赤色，（ワ）紫色，になると思います。
ワンポイント解説「1.$ \ \mathrm {LED} \ $の発光原理」の通り，白色$ \ \mathrm {LED} \ $に使用されるのは青色$ \ \mathrm {LED} \ $となります。

(5)解答：ホ
題意より，解答候補は（ロ）青色，（ホ）黄色，（ト）だいだい色，（ヌ）緑色，（ヲ）赤色，（ワ）紫色，になると思います。
ワンポイント解説「1.$ \ \mathrm {LED} \ $の発光原理」の通り，白色$ \ \mathrm {LED} \ $は青色$ \ \mathrm {LED} \ $に黄色の蛍光体を組み合わせたものが普及しています。