JPS5837996B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は例えば外部光などにより発光が制御される半
導体発光装置に関するものである。

従来の半導体発光装置１１は第１図に示されるように半
導体発光素子１を電気抵抗２との直列回路に電源３が接
続されて構成されている。

すなわち前記電源３より前記電気抵抗２によって制限さ
れる電流が前記半導体発光素子１に供給され、前記半導
体発光素子は光束を放射する。

このような半導体発光装置は固体ランプとして高輝度、
高信頼性、低消費電力などのすぐれた特性を有し、例え
ば計器の電源表示や動作表示等の表示手段として従来の
白熱ランプと取ってかわろうとしている。

しかしながらこのような半導体発光装置に用いられてい
る半導体発光素子は製造原価などの面から未だ白熱ラン
プを圧倒してしまうに充分なものでなく、さらに前記の
如き半導体発光装置における如く表示ランプとして用い
るにはｐ − ｎ接合を有する半導体発光素子はあまり
にその潜在能力が活かされていない。

このような点に鑑みてこの発明ではｐ − ｎ接合を有
する半導体発光素子は外部光などにより光起電力を発生
できるという点に着目して、外部光などにより前記半導
体発光素子の発光状態を制御できるという新しい機能を
有する半導体発光装置を提供しようとするものである。

後述の実施例のものを要約すれば、スイッチング素子と
半導体発光素子とを直列接続して、前記発光素子の光起
電力によって前記スイッチング素子のスイッチングを行
わせ、前記発光素子の発光状態を制御することのできる
半導体発光装置を提供するものである。

より具体的には、所定のスイッチング電圧を有するｐｎ
ｐｎ ， ｐｎｐｎｐ ， ｐｉｎ構造などのスイッチ
ング素子と、電源の両端間に該スイッチング素子と直列
に接続した半導体発光素子とを備え、上記スイッチング
電圧が、上記電源電圧の波高値より小さく、かつ該電圧
波高値と上記光起電力との差より大きくなるよう設定さ
れた半導体発光装置が構成される。

この発明の一実施例を第２図に示す。

以下この図を用いて説明する。

サイリスタ４、半導体発光素子１および電気抵抗２が電
気的に直列に接続された回路に安定化電源５が接続され
ている。

ここでサイリスクの順方向電流一電圧特性は第３図に示
される如きである。

すなわちサイリスクに印加される順方向電圧が所定のス
イッチング電圧Ｖｓより小さい場合は前記サイリスクは
オフ状態でありほとんど電流は流れず、サイリスクに印
加される電圧が前記スイッチング電圧に等しくあるいは
これより大きくなると前記サイリスタはオン状態になり
電流が流れる。

またこの時の電流値Ｉｔは主に前記電気抵抗により制限
され、前記サイリスクの電圧はほぼ一定値Ｖｔとなる。

今度は逆にオン状態にあるサイリスクに流れる電流が保
持電流Ｉｈ以下となるとサイリスクはオフ状態にもどる
。

次にｐ − ｎ接合を有している前記半導体発光素子に
外部光などが照射すると前記半導体発光素子に陽極側が
正、陰極側が負の光起電力Ｖｐが生じる。

このような光起電力の大きさは半導体発光素子の構造、
用いる材料、照射する光の分光分布および照度などによ
り異るが、この発明の重要な条件は半導体発光素子が光
起電力素子としても利用しているという事自体であり、
前記の如き事柄についての説明はここでは省略する。

さらにこの発明のもう一つの条件は前記安定化電源の電
圧の波高値Ｖｃが前記サイリスクのスイッチング電圧Ｖ
ｓが、前記安定化電源の電圧の波高値Ｖｃより小さくか
つ該電圧波高値Ｖｃと前記半導体発光素子の光起電力Ｖ
ｐとの差より大きいということである。

このようにしてこの発明による半導体発光装置２２が構
威されたわけであるが、次にこの実施例の動作について
説明する。

まず前記半導体発光素子１に外部から光が照射されてい
る場合を考える。

この時前記半導体発光素子には光起電力が生じている。

また安定化電源から供給される電圧の波高値は前記サイ
リスクのスイッチング電圧と前記光起電力との和より小
さい。

したがって第２図より明らかなようにサイリスク両端に
かかる電圧は前記サイリスクのスイッチング電圧より小
さく、前記サイリスクはオフ状態にあり、前記半導体発
光素子には電流が供給されない。

このように半導体発光素子に外部光が照射されている場
合は前記半導体発光素子は発光しない。

次に半導体発光素子に外部光が照射されていない場合を
考える。

この場合には前記半導体発光素子には光起電力が生じて
いない。

また安定化電源から供給される電圧の波高値はサイリス
クのスイッチング電圧より太きいわけであるから、前記
サイリスクに印加される電圧が前記スイッチング電圧を
越える瞬間が存在する。

この時前記サイリスクはオン状態となり、前記半導体発
光素子には電気抵抗２により制限される電流が流れ、前
記半導体発光素子は発光する。

以上の説明から理解されるように、この発明の重要な点
は半導体発光装置を構成する半導体発光素子が光起電力
Ｖｐを発生するので、電源電圧の波高値Ｖｃ，サイリス
クのスイッチング電圧Ｖｓおよび前記光起電力Ｖｐとの
間に次の関係が成立することである。

Ｖｃ −Ｖｐ ＜Ｖｓ ＜Ｖｃ （１）
以上のことをさらに詳細に説明する。

半導体発光素子はｐｎ接合を有しており、通常の太陽電
池や光検出器のように、それ自身次式で表わされる光起
電力Ｖｐを発生することができる。

ｎｋＴ Ｉｐ Ｖｐ−１１ ｎ （ Ｉ ｏ ＋ １ ）ｑ ここで、ｎはｐｎ接合の良さを表わす指数（ ｄｉｏｄ
ｅ ｑｕａｌ ｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ） 、ｋはボル
ツマン定数、ｑは電子の電荷量、Ｉｐはｐｎ接合が発生
する光電流、Ｉｏはｐｎ接合の逆方向飽和電流である。

光電流■ｐは照射光強度Ｅに比例するので、光起電力Ｖ
ｐは次式で示すように照射光強度Ｅの対数に比例する。

Ｖｐ工ＡｎＥ この関係を第６図に示す。

一方、安定化電源電圧をＶｒ、サイリスク印加電圧をＶ
ｔとすると、発光素子に光が照射され、光起電力Ｖｐが
発生している場合、これらの間には次式が成り立つ Ｖｒ＝Ｖｔ＋Ｖｐ したがって、サイリスク印加電圧は安定化電源電圧Ｖｒ
から半導体発光素子の光起電力Ｖｐを差し引いた値とな
る。

光が照射されない場合は、ＶｐはＯであり、サイリスク
には電源電圧Ｖｒが印加される。

光強度が強くなるにつれて光起電力は大きくなり、その
分だけサイリスクに印加される電圧が小さくなる。

サイリスクのスイッチング電圧Ｖｓが、電源電圧より小
さく、かつこの電源電圧から光起電力分Ｖｐを差し引い
た値より大きければ、暗時にはサイリスクはオン状態、
光照射時にはオフ状態となる。

このようにこの発明による半導体発光装置はこれを構成
する半導体発光素子に外部光などの光が照射されていな
い場合には発光し、また前記半導体発光素子に外部光な
どの光が照射されている場合には発光しないという機能
を有し、これは白熱ランプなどを用いては実現不可能で
あり、従来の単なる表示ランプとしての半導体発光装置
には見られないものである。

またこの発明の半導体発光装置を構成する安定化電源の
電圧波形として様々なものを用いることができ、この半
導体発光装置は前記電圧波形に応じた動作をするので、
さらに効果的である。

まず前記安定化電源電圧が直流の場合について説明する
。

直流の電圧値は言うまでもなく波高値であり、これが式
（１）で示される条件を満たしているとする。

この場合には外部光が照射されている期間は、前記の説
明から明らかなように常に半導体発光装置はオフ状態に
なっている。

一度外部光が遮蔽されると半導体発光装置はオン状態と
なり発光する。

この後再び外部光が照射されることがあっても前記半導
体発光装置はオン状態を継続する。

このようにこの発明による半導体発光装置は、これを構
成する安定化電源として直流を用いることにより、前記
半導体発光装置を構或する半導体発光素子に照射されて
いる光が一度でも遮蔽されたことがあるかどうかを検知
でき、またそのことを表示できるわけである。

次にこの発明の半導体発光装置を構成する安定化電源の
電圧波形として第４図に示される如き矩形パルス波形を
用いた場合について説明する。

この場合も外部光などが照射されている期間は、半導体
発光素子の光起電力のためサイリスクに印加される電圧
がスイッチング電圧を越えることなく、常に半導体発光
装置はオフ状態となっている。

次に第４図に示される如くある時刻ＴＤで半導体発光素
子に照射されている外部光などが遮蔽されると、時刻Ｔ
Ｄ以後矩形パルス波形が生じている期間だけ半導体発光
装置はオン状態となる。

すなわちパルスが生じる時刻ｔ１に半導体発光装置はオ
ン状態となり、パルスが消滅する時刻ｔ。

に前記半導体発光装置はオフ状態となる。

以後外部光などが遮蔽されている期間だけこの状態が繰
返される。

次にある時刻ＴＢで再び外部光が照射されると、前記時
刻ＴＢ以後半導体発光装置は再び常にオフ状態となる。

このように電源電圧波形として矩形パルスを用いること
により外部光などが遮蔽されている期間、より詳しくは
前記期間内で矩形パルスが生じている期間のみ半導体発
光装置はオン状態となり発光する。

したがって前記半導体発光装置は可夜光を発つし、また
前記矩形パルスのくりかえし時間が人間の目の応答時間
より短い場合には肉眼では常に発光していると観察され
る。

また適当なくりかえし時間を選ぶことにより警告的な意
味をなす発光の点滅が観察される。

次にこの発明の半導体発光装置を構成する安定化電源の
電圧波形として第５図に示される如き正弦波を用いた場
合について説明する。

この正弦波の波高値Ｖｃが前記式（１）を満足している
ことは言うまでもない。

さてこの場合も外部光が照射されている期間は半導体発
光素子の光起電力のためサイリスクに印加される電圧が
スイッチング電圧を越えることはなく、常に半導体発光
装置はオフ状態となっている。

次に第５図に示される如くたとえばある時刻ＴＤで外部
光が遮蔽されると半導体発光素子の光起電力は消滅する
ため、電源電圧がそのままサイリスクに印加されると考
えられる。

すると電源電圧がサイリスクのスイッチング電圧に等し
くなった時刻ｔ１に前記サイリスクはオン状態になり半
導体発光素子は発光する。

時刻ｔ１以後半導体発光素子は発光を続け、サイリスク
に流れる電流が第３図に示される如き保持電流■ｈ以下
になる瞬間ｔ。

に半導体発光素子は発光を停止する。

また電源電圧が負の期間は半導体発光素子が発光しない
ことは言うまでもない。

以後光が遮蔽されている期間は前記状態をくり返す。

次にある時刻ＴＢで再び外部光が照射されると前記半導
体発光素子は常にオフ状態となる。

このように電源電圧波形として正弦波を用いることによ
りこの発明による半導体発光装置は外部光などが照射さ
れている期間は発光せず、前記外部光などが遮蔽されて
いる期間、より詳しくは前記期間内で電源電圧の瞬時値
がサイリスクのスイッチング電圧に等しくなる時刻から
保持電流を供給するに必要な電圧に等しくなる時刻まで
の期間のみ発光することになる。

以上の実施例では電源電圧波形として直流、矩形パルス
、正弦波の場合について説明してきたが、三角波、直流
に正弦波などを重畳させたものなど他の任意の波形を用
いてものこの発明の効果が期待できるのは言うまでもな
い。

また以上の説明ではサイリスクのゲートはオープンの場
合を取扱ったが、前記ゲートに適当な制御信号を与える
ことにより所定の値のスイッチング電圧を得ることがで
きるので、この発明の実現がより容易となり、応用範囲
が広くなる。

さらにまた以上の実施例ではこの発明の半導体発光装置
を構成するスイッチング素子としてサイリスクを用いる
場合について説明してきたが、ｐｉｎ構造など所定のス
イッチング電圧を有する他の任意のスイッチング素子を
使用できることは言うまでもない。

また前記半導体発光装置を構成する半導体発光毒子とし
てｐｎ接合を有したものについて説明してきたが、スイ
ッチング特性を示さないｐｉｎ接合など、光起電力を発
生することのできる任意の接合構造のものを使用できる
ことは言うまでもない。

以上の如く外部光などが照射されているか否かの検知お
よび表示ができるわけであるが、ｐｎ接合などの半導体
発光素子を用いているので外部光などのスペクトル分布
にも応答し、前記スペクトル分布のある程度の違いを検
知しまた表示できる。

すなわち前記半導体発光素子は用いる材料固有の光吸収
端を有しており、前記光吸収端エネルギより高いエネル
ギの光が入射した場合は前記半導体発光素子のｐｎ接合
に光起電力が生じるが、前記光吸収端エネルギより低い
エネルギの光がいくら入射しても光起電力は生じない。

このように入射光の波長あるいはスペクトル分布の違い
により光起電力の発生が制御され、ひいては半導体発光
装置のオン状態およびオフ状態が制御される。

このような光スペクトル分布応答はｐｎ接合などを有す
る半導体発光素子の機能を充分利用しているものであり
、したがってこの発明の効果が充分活かされているもの
である。

この発明は以上のようになされているので、外部光等に
より半導体発光素子の発光が制御される半導体発光装置
を得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体発光装置を示す接続図、第２図は
この発明の半導体発光装置の一実施例を示す接続図、第
３図はサイリスクの電流電圧特性を示す図、第４図、第
５図は電源の電圧波形を示す図で、第４図は矩形パルス
を、第５図は正弦波をそれぞれ示しており、第６図は光
の強度と該光により発光素子に生ずる光起電力との関係
を示す図である。 図中１は半導体発光素子、４はサイリスク、５は所定の
電圧値を有する安定化電源、１１は従来の半導体発光装
置、２２はこの発明の半導体発光装置である。 なお図中同一符号はそれぞれ同一または相当部分を示す
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体スイッチング素子と、安定化電源の両端間に
   上記半導体スイッチング素子と直列に接続され光が照射
   されたとき光起電力を発生し通電されたとき発光する半
   導体発光素子とを備え、上記半導体スイッチング素子の
   スイッチング電圧が、上記安定化電源の電圧波高値より
   小さくかつ該電圧波高値と上記光起電力との差より太き
   いものであることを特徴とする半導体発光装置。