LED는 어떻게 작동합니까

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LED는 어떻게 작동하는가?

LED 정의

LED 또는 발광 다이오드는 전기적으로 에너지를 공급받을 때 전기발광이라는 과정을 통해 빛을 방출하는 반도체 장치로 정의됩니다.

LED의 작동 원리

일반적인 다이오드와 마찬가지로, LED 다이오드는 전방 편향될 때 작동합니다. 이 경우 n형 반도체는 p형보다 더 많이 도핑되어 p-n 접합을 형성합니다. 전방 편향될 때, 포텐셜 장벽이 줄어들고 전자와 구멍이 소진층(또는 활성층)에서 결합하여 모든 방향으로 빛이나 광자가 방출됩니다. 전방 편향 시 전자-구멍 쌍의 결합으로 인한 빛 방출을 보여주는 일반적인 그림입니다.

LED에서의 광자의 방출은 고체의 에너지 대역 이론에 의해 설명되며, 이 이론은 빛의 방출이 물질의 대역 간격이 직접적이거나 간접적이냐에 따라 달라짐을 명시합니다. 직접적인 대역 간격을 가진 반도체 재료들이 광자를 방출합니다. 직접적인 대역 간격 재료에서는 에너지 대 운동량(파수 'k') 도표에서 전도대의 에너지 수준의 바닥이 밸런스 대의 최상위 에너지 수준 바로 위에 위치합니다.

전자와 구멍이 재결합할 때, E = hν 에 해당하는 에너지가 광자 형태로 방출되며, 여기서 h는 플랑크 상수이고 ν는 빛의 주파수입니다.

직접적인 대역 간격

간접적인 대역 간격을 가진 재료들은 비복사적입니다. 그 이유는 전도대의 바닥이 밸런스 대의 최상위와 일치하지 않아 대부분의 에너지가 열로 변환되기 때문입니다. 예를 들어 Si, Ge 등이 있습니다.

간접적인 대역 간격

직접적인 대역 간격을 가진 재료의 예로는 GaAs(갈륨 아르세니드)가 있으며, 이는 LED에 사용되는 화합물 반도체입니다. GaAs에 도핑 원소를 첨가하여 다양한 색상을 얻을 수 있습니다. LED에 사용되는 일부 재료는 다음과 같습니다:

AlGaAs(알루미늄 갈륨 아르세니드) – 적외선.

GaAsP(갈륨 아르세닉 포스파이드) – 빨강, 주황, 노랑.

AlGaP(알루미늄 갈륨 포스파이드) – 초록.

InGaN(인듐 갈륨 질화물) – 파란색, 청록색, 근자외선.

ZnSe(주석 황화물) – 파란색.

LED의 물리적 구조

LED는 빛이 재흡수되지 않도록 설계되었습니다. 따라서 전자-구멍의 재결합이 표면에서 발생하도록 합니다.

위의 그림은 LED p-n 접합을 구조화하는 두 가지 다른 방법을 보여줍니다. p형 층은 얇게 만들어져 n형 기판 위에 성장합니다. p-n 접합의 양쪽에 부착된 금속 전극은 외부 전기 연결을 위한 노드 역할을 합니다. 빛을 방출하는 다이오드 p-n 접합은 돔 모양의 투명한 케이스에 싸여 있어 빛이 균일하게 모든 방향으로 방출되고 내부 반사가 최소화됩니다.

LED의 큰 다리는 양극 또는 양전극을 나타냅니다.

두 개 이상의 다리를 가진 LED도 있습니다. 예를 들어 3, 4, 6 핀 구성으로 같은 LED 패키지에서 다양한 색상을 얻을 수 있습니다. 표면 실장형 LED 디스플레이는 PCB에 장착할 수 있습니다.

LED는 일반적으로 몇십 mA의 전류를 필요로 하며, 전방 전압 강하가 1.5V에서 3.5V로 높기 때문에 직렬로 높은 저항이 필요합니다.

백색 LED 또는 백색 LED 램프

LED 램프, 전구, 가로등은 LED의 효율성이 높기 때문에 최근 매우 인기가 있습니다. 단위 입력 전력(mW)당 빛 출력이 백열전구에 비해 매우 높습니다. 따라서 일반 조명용으로 백색 빛이 선호됩니다. LED를 사용하여 백색 빛을 생성하기 위해 두 가지 방법이 사용됩니다:

RGB 세 가지 기본 색상을 혼합하여 백색 빛을 생성하는 방법입니다. 이 방법은 높은 양자 효율성을 가집니다.

다른 방법은 하나의 색상의 LED를 다른 색상의 인산염으로 코팅하여 백색 빛을 생성하는 것입니다. 이 방법은 LED 전구 및 조명 제조에 상업적으로 널리 사용됩니다.

LED의 응용

OLED, 마이크로 LED, 양자점 등의 전자 디스플레이.