LED의 정의, 특성, 동작원리

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LED의 정의, 특성, 동작원리

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LED의 정의

LED는 Light Emitting Diode의 약자입니다.

반도체 다이오드의 p-n접합에서 전자와 정공이 결합할 때 나오는 빛을 이용한 디스플레이이며,

전하주입형 전계발광이라고 할 수 있습니다.

이러한 LED를 다시 정의하자면,

LED는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 광전변환형 반도체 발광 다이오드입니다.

LED는 반도체의 pn접합 구조(2단자 소자)를 이용하여 주입되는 소수 캐리어의 재결합 과정에 의해 발광하는 반도체 소자입니다.

LED는 일명 "Luminescent Diode"라고도 불립니다.

LED의 특성

위와 같은 구조를 가진 LED의 특성은 다음과 같습니다.

① 저전압 구동의 고체 발광소자입니다.

② 낮은 소비전력을 필요로 합니다.

③ 응답속도가 빠릅니다.

④ 수명이 긴 편입니다.

⑤ 내충격성이 좋습니다.

⑥ 소형과 경량화된 소자의 구현이 가능합니다.

⑦ 고휘도와 높은 시야각 특성을 가집니다.

LED의 동작 원리

LED의 동작 원리를 이해하기 위해 아래 그림을 보면 쉬울 것 같습니다.

위 사진은 열평형 상태입니다.

에너지 장벽이 높아서 전류가 흐르지 않는 상태입니다.

위 사진은 순방향 상태입니다.

열평형 상태에서 P-N접합에 순방향으로 전압을 인가하면

에너지 장벽이 낮아지게 되어

전자는 N영역에서 P영역으로

정공은 P영역에서 N영역으로

이동을 하게 됩니다.

이때 이동을 하면서 재결합을 하고 빛을 방출하게 됩니다.

위와 같은 방법으로 빛을 방출하게 되는데,

그렇다면 발광효율을 높이기 위해선 어떻게 해야 할까요?

LED의 발광효율을 높이기 위해서는 전자과 정공이 재결합하여 에너지를 방출할 때,

재결합 전후로 에너지뿐만 아니라 운동량의 보존이 필요합니다.

재결합 전후로 운동량을 보존하는 LED는

Direct Energy Gap이 대부분이며

GaN, GaAs와 같은 화합물 반도체가 필요합니다.

Direct Energy Gap를 직접 천이형 반도체라고 부르며

다음과 같은 그림으로 표현할 수 있습니다.

발광효율을 구하는 공식에 대해서도 알아보겠습니다.

발광효율(lm/W)은 Wall Plug 효율, 외부양자효율, 내부양자효율로 나뉩니다.

Wall Plug 효율(전력효율) = 출력광전력 / 입력전력 

외부양자효율 = 내부양자효율 x 광추출효율

내부양자효율 = 방출된 광자(photon)의 수 / 주입된 캐리어 수

추가적으로, 발광은 빛의 파장에 따라서 색이 달라지게 됩니다.

화합물반도체가 어떤 것이 사용되냐에 따라 다릅니다.

 적색 LED : GaAsP, GaAlAs, InGaP 

녹색 LED : GaP 

청색 LED : SiC, ZnSe, ZnS, InGaN/AlGaN 

대부분이 원소주기율표의 III-V족 화합물반도체를 사용합니다.