第6回 発光素子
光通信の主役級は３人と考えていいでしょう。光ファイバ(optical fiber)、発光素子(LED:light emitting diodeなど)、および受光素子(PD: photo diodeなど)です。光ファイバは第3回目の解説で説明しました。今月は発光素子、来月号で受光素子の話をします。発光素子は電気信号を受けて光を発生し、受光素子は光信号を受けて電気を発生するものです。
物質は外部から何らかの刺激(excitation)受けると、エネルギを放出して元の状態に戻ろうとする性質があります。例としては、あまり適当ではないですが、人間でも同じです。暑くなれば、涼しい場所に行きたくなるし、寒くなれば（マイナスのエネルギをもらえば）、暖かい場所に行きたくなると同じです。元の状態に戻ろうとするのです。元の状態が最も安定した状態なのです。物質がエネルギをもらって励起すると、元の状態に戻ろうとするのに、２通りの方法があります。１つは、熱としてエネルギを放出(relaxation)する過程であり、他の１つは光としてエネルギを放出する(emission)過程です。少し難しくなりますが、前者は格子振動(lattice vibration)を利用し、後者は電子のエネルギ準位のあるレベルから、あるレベルへの遷移(transition)で行われます。つまり光が発生するのは、電気信号を受けて（エネルギをもらい）、ある半導体の電子のエネルギ レベルが高くなり、また元のエネルギ状態に戻る時に光を放出するのです。この原理を応用したのが、発光素子です。
なぜ光が発生するのか
半導体といっても、光を放出しやすい物質とそうでないものとがあります。いままでトランジスタなどエレクトロニクスの主役を演じてきたゲルマニウム、シリコンは発光に関してはダメな材料です。代わって、ガリウムヒ素(GaAs)、ガリウムリン(GaP)、インジウムリン(InP)などが主役として登場です。図6-1で説明します。ｐｎ接合のダイオード（第5回参照）に順バイアス（forward bias）をかけると（エネルギをかけると）、ｐとｎの各領域に少数キャリア、つまり、ｐには電子が、ｎには正孔が流れこみます。これら少数キャリア(minority carriers)は接合部付近で再結合して消滅します。この結合する時に光を出して消滅するのです。放出する光の波長は、禁止帯のバンドギャップの幅Eg（価電子帯と導電帯のエネルギギャップのこと＜＞）によって決まります。Egが大きいほど、波長が短くなります。色でいうと、青色の光です。Egが小さいと（ガリウムヒ素）波長の長い赤外線を発光します。その他、発光させる色によってさまざまな発光材料が使われます。
例えば電気機器で、電源表示用ランプなどは、従来フィラメントを使った豆電球を利用していましたが、発光ダイオードを使ったランプは低電圧（1～4V）で消費電力が低く、応答速度も高速で、寿命も長持ちします。光通信に利用する光は赤外線の範囲の部分を利用しています。
