5 Light Emitting Diodescontents.kocw.net/KOCW/document/2014/mmu/hansonghee2/6.pdf · 2016-09-09 · 1-y led (4원소 iii-v족 화합물 반도체 등이 포함) 적외선 led의 중요한

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제 5장 Light Emitting Diodes

5.1 발광 원리

5.2 LED 물질

5.3 가시광 LED와 적외선 LED

5.4 소자 효율

5.4.1 주입 효율

5.4.2 재결합 효율

5.4.3 추출 효율

5.4.4. 외부 변환 효율

5.5 LED 기본 구조

5.6 소자 특성

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LED의 응용 분야

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5.1. 발광원리

LED : 전기적인 에너지를 광학적 방사로 변환하는 광전자소자

- 반도체의 캐리어 에너지는 전기적인 주입 에너지에 의해 평형상태보다

올라감.

- 높은 에너지 상태에서 살아남은 캐리어들이 반도체의 밴드갭과 같은

에너지를 갖는 포톤을 자연방출하면서 에너지를 발산.

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그림 5.1 LED 발광원리

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광스펙트럼

육안으로 감지되는 빛의 파장대 : 0.4µm-0.7µm

• 자외선영역 : 0.01µm-0.4µm

• 적외선영역 : 0.7µm-1000µm

파장을 광에너지로 변환식

][

24.1)(

eVEh

hccm ===

ννµλ

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5.2. LED 물질

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그림 5.2 LED 성능의 발전과정

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5.3. 가시광 LED와 적외선 LED

5.3.1 가시광 LED

그림 5.3 광 스펙트럼 영역과 사람 눈의 상대적 반응 감도

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• 가시광 LED 재료 : GaAs1-yPy인 III-V족 화합물 반도체

0＜y＜0.45 : 직접전이 에너지 갭

y=0인 Eg=1.424eV

y=0.45인 Eg=1.977eV까지 증가

몰분율 y에 대한 에너지갭

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몰분율 y에 대한 GaAs1-yPy에 E-k 변화

GaAs1-yPy(y＜0.45) - 직접전이 반도체에서 주로 일어남 - 광자에너지 = 밴드갭 에너지

GaAs1-yPy(y>0.45) - 간접 밴드갭 반도체로 복사전이 확률이 매우 적음. - 운동량을 보존하기 위하여 격자 상호작용이나 다른 산란이 일어남 - 간접전이 반도체에서 복사과정을 향상시키기 위하여 별도의 재결합 센터가 필요

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GaAs1-yPy에 질소를 주입시킴으로써 복사 재결합 센터 형성 (질소가 주입되었을 때 이것은 격자위치에서 P원소를 대치.)

그림 5.5 등전자 불순물 질소에 따른 양자 효율

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LED 구조 : 평면 다이오드 형태

직접 밴드갭 LED 기판 : GaAs 기판

간접 밴드갭 LED 가판 : GaP 기판

그림 5.6 (a) 불투명 기판과 (b) 투명기판에서 빛방출

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방출 광자의 양을 감소시키는 3가지 손실

(1) LED재료 내에서의 흡수

(2) 빛이 반도체에서 공기층으로 통과될 때 굴절율의 차이에 의한 반사 손실

(Fresnel 손실 : 한 매질에서 굴절률이 다른 매질로 광이 입사할 때

두 물질의 굴절지수의 차이로 표면에서 광이 일부 반사하는 현상)

(3) 임계각 손실 : Snell의 법칙에 의하여 정의된 임계각보다 큰 각도에서

빛의 내부반사에 의한 손실

2

1sinn

nc =θ

예) λ= 0.8µmm 에서 n2=3.45인

GaP의 경우 임계각은 약 17˚.

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발광 다이오드의 pn 접합에서 광자 방출 도식 그림

• 방출되는 광자는 반도체 내에서 다시 흡수

유전체 경계면에서 입사/반사/투과 광자의 도식 그림

반사계수 (프레넬 손실)

2

12

12

+−

=Γnn

nn

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유전체 경계면에서 굴절과 임계각에서의 전반사를 보여주는 도식 그림

= −

2

11sinn

ncθ

- 반도체와 공기의 경계면에 각을 이루면서

입사하는 광자는 굴절되며, 광자가 임계각보다

큰 각도로 입사하면 광자는 전반사됨.

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LED의 방출 스펙트럼

스펙트럼 폭은 최대값의 1/2인 지점에서의 폭

: 반높이 너비(Full width at half maximum, FWHM)

스펙트럼 폭은 λ𝑚2(최대값 파장)에 따라서 변화

파장이 가시광에서 적외선으로 길어질 때 FWHM은 커짐

예) λm =0.55µm : FWHM= 약 200Å λm =1.33µm : FWHM= 약 1200Å.

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5.3.2 적외선 LED

0.9 µm의 빛을 방출하는 GaAs LED

1.1~1.6 µm의 빛을 방출하는 GaxIn1-xAsyP1-y LED

(4원소 III-V족 화합물 반도체 등이 포함)

적외선 LED의 중요한 응용

광 아이솔레이터 : 2개의 단자가 있어서 그 한쪽에서 다른 쪽으로는 빛을 전하지만 역방향으로는 전하지 않는 광학 장치. 광섬유 통신 등에서 광원에서 나온 레이저광 등이 전송로의 도중에 있는 커넥터 등의 광부품에 반사되어 광원으로 돌아가 전송부품을 열화시키는 것을 방지하기 위해서 사용.

광통신에서 광섬유를 통한 광신호의 전달에 이용

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5.4. 소자 효율

전형적인 표면 방출 LED의 계략도

그림 5.8 표면 방출 LED

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접합 LED에서 발생하는 발광 과정은 3단계

1) 여기 또는 주입 과정 : 순방향 바이어스에 의해 캐리어들의 에너지가

올라감.

2) 재결합 과정 : 캐리어들의 대부분은 포톤에 그들의 초과 에너지를 주고

재결합

3) 추출 과정 : 생성된 포톤은 반도체 밖으로 나와 고유 색깔이 나타냄.

효율 외부변환:

효율 추출:

효율 재결합:

효율 주입:

o

ex

r

in

exrino

ηη

η

η

ηηηη =

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5.4.1 주입 효율

비대칭 n+ -p 접합 다이오드에서 : 전자 주입은 정공 주입에 비해 더 두드러진다

고주입 효율(high-injection efficiency)는 ND≫NA일 때 만들어짐.

5.4.2 재결합 효율(내부 양자 효율)

포톤의 자연방출로 발생하고 생성된 포톤의 수와 주입된 전자 수의 비

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5.4.3 추출 효율

소자에서 발생하는 빛을 잘 추출하는 것

방사 파장에서 반도체의 흡수 계수는 중요한 역할

그림 5.9 (a) GaAs의 흡수와 발광, (b) GaP:Zn,O의 흡수와 발광

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외부양자효율을 감소시키는 원인 : 평평한 표면을 통해 나오는 LED의 방사 형태

빛의 세기 분포 : Lambertian 분포.

그림 5.10 (a) Lambertan 형 빛 강도 분포 (b) 방향성 빛 강도 분포

방출된 빛의 대부분은 임계각보다 큰 반도체-공기 계면을 비추고 내부 반사에 의해 갇히게 됨. 높은 유전 상수를 갖는 화합물 반도체는 임계각을 매우 작게 만듦.

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접합부에서 발생한 빛은 등방성으로 방사되고, 임계각의 원뿔형 안에

존재하는 빛만 소자 표면을 떠나게 됨.

반도체-공기계면에서 투과도 FT

그림 5.11 (a) 반구형 표면을 갖는 소자 (b) 반구형 캡슐 속에 있는 소자

Epoxy :반도체와의 굴절률 차가 상대적으로 작으며, 반도체의 표면을 통한 내부전반사 각도의 증가로 광 추출효율을 향상

n1: 반도체 굴절률 n2: 공기 굴절률

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5.4.4 외부 변환 효율

외부 변환 효율 : 전기적인 입력(Pe)에 대한 광학적 출력(Po)의 비

일반적인 LED에서 ηo의 값 : 1%∼15%

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5.5. LED의 기본구조

그림 5.12 LED 구조：

(a)표면발광(Burrus type)

(b)표면발광

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그림 5.12 LED 구조：

(c) edge 발광(guiding layer)

(d) edge 발광(current confined)

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5. 6. 소자 특성

그림 5.13 AlGaAs LED의 전형적인 스펙트럼 특성

스펙트럼의 라인폭도 온도에 따라 증가 : 캐리어 분포의 고에너지 확장과 격자 산란 열 감쇠(heat sinking)와 냉각배열(cooling

arrangement)이 소자 구조에 필요.

1) 스펙트럼 응답

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2) 수명 특성

수명은 전계발광 소자 또는 통신 응용을 위한 소스로 사용되는 소자에서 매우 중요

그림 5.14 AlGaAs LED의 출력 대 시간 특성

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3) 광-전류 특성

그림 5.15 AlGaAs LED의 출력대 전류

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그림 5.16 InGaAsP LED의 순방향 I-V 특성

4) 전류-전압 특성

효과적인 동작을 위해, 순방향 문턱

전압, 역방향 항복 전압, 항복에서

역방향 누설 전류를 아는 것이 중요

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