LED｜기초편
LED란LED 디바이스
2023.06.07
키 포인트
・LED는 전류를 흘리면, p형 반도체의 정공과 n형 반도체의 전자가 재결합함으로써 발광한다.
・LED는 발광 소자의 재료와 그 비율에 따라 발광 파장이 달라진다.
LED의 발광 원리
표시기나 조명 등 생활 주변에서 다양하게 사용되는 LED는 어떻게 발광하는 것일까요?
예를 들어 전구나 형광등은 필라멘트의 발열이나 방전 현상 등 전기 에너지를 간접적으로 빛으로 변환하여 발광하는 반면, LED는 전기 에너지를 직접 빛으로 변환합니다. 따라서, 전기에서 빛으로의 변환 효율이 매우 높은 제품이라고 할 수 있습니다.
본 편에서는 LED에 사용되는 반도체 소자의 발광 원리에 대해 설명하겠습니다.
※본 테마에서는 패키지에 탑재하여 제품화한 것을 LED (또는 LED 디바이스)라고 정의하고, 소자 (발광 소자)와 구별하겠습니다.
LED의 발광 원리
LED＝발광 다이오드 (Light Emitting Diode)의 소자 기본 구조는 p형 반도체와 n형 반도체가 접합된 「pn 접합」 반도체입니다.
- ※p형 반도체 (+ : positive 정공 (홀)이 많은 반도체)
n형 반도체 (– : negative 전자가 많은 반도체)
이 소자에 순방향 전압을 인가하면, 정공 (플러스)과 전자 (마이너스)는 p-n 접합을 위해 이동하여 결합 후 소멸됩니다. 이때 발생하는 여분의 에너지가 빛으로 변환되어 발광합니다.
이러한 현상을 발광 재결합이라고 합니다.
※전자 (마이너스)와 정공 (플러스)이 결합할 때, 잉여 에너지로 발광한다.
발광 소자의 재료
일반적인 다이오드는 주로 Si (실리콘)나 Ge (게르마늄) 등의 재료를 사용하지만, 이러한 단원소 반도체는 전자와 정공의 결합 시에 발광이 수반되기 어렵습니다. 따라서 LED는 GaN, GaAs, InP 등 재결합 시에 발광이 수반되기 쉬운 화합물 반도체가 사용됩니다.
이러한 화합물 반도체를 조합한 것을 (조합 예 : GaAsP, AlGaAs, InGaAlP, AlGaN 등) 일정 기판에 결정면을 균일하게 성장 (에피텍셜 성장)시킴으로써 발광 소자의 기능을 부여할 수 있습니다.
재료에 따라 변하는 발광색
LED 소자의 재료인 화합물 반도체는 그 구성이나 비율에 따라 적외광에서 적색이나 녹색과 같은 가시광, 자외선광 등 다양한 파장으로 발광합니다.
이러한 발광색은 재결합 전후의 전자 에너지 레벨에 따라서도 달라집니다. 그 잉여분으로서 빛으로 변환되는 에너지 레벨의 차이 (밴드 갭 에너지)가 클수록 빛의 파장은 짧아집니다.
【자료 다운로드】 LED 디바이스의 기초
LED 디바이스의 구조 및 특성 데이터 구성, 정전파괴 및 열 저항, 사용 시의 주의사항 등을 정리한 자료입니다.
