6 발광 다이오드

6.1 서론

LED의 기본 특성 광학적 특성 파장

선폭

일률

전기적 특성 광전변환효율

변조대역폭

6.2 과잉 운반자의 재결합 - 발광

구동: 발광 다이오드에 순전압을 걸어줌

발광: 전하와 양공의 방사 재결합 (비방사 재결합도 있다)

빛의 밝기는 방사 재결합율에 비례

* 재결합율 = 방사 재결합율 + 비방사 재결합율 ⇒ 전체

방사

비방사

예 6.1 Si 방사(≈ 1 ms) ≫ 비방사(≈ 0.1 s)

방사 재결합의 조건 1. 방사 ≪ 비방사2. 전자와 양공이 같은 때, 같은 곳(드 브로이 파장 ~ 10 nm)에 있어야 함

3. 에너지와 운동량 보존

LED의 성능 지표 1. 분광분포

2. 양자효율

3. 변조대역폭

6.3 The Energy Spectrum of Light

상태밀도×전자 확률×양공 확률×방사재결합 확률

⋅

띠간격

확률 =

⋅ 띠⋅ 띠

그림 6.5 SiC LED의 발광 스펙트럼. 봉우리는 약 490 nm, 반값온폭은 375 meV

그림 6.4 빨간 빛을 내는 LED의 발광 스펙트럼. 봉우리는 약 700 nm, 반값온폭은 240 meV

그림 6.6 이종구조 LED의 발광 스펙트럼. 봉우리는 약 1600 nm, 반값온폭은 60 meV이다. 활성영역의 두께는 약 반파장 정도이고, 띠간격이 더 넓은 물질로 둘러싸여 있어 빛이 흡수되지 않고 빠져나올 수 있다. 불순물을 잘 제어하면 파장이 긴 쪽의 꼬리가 잘린다.

이종구조: 활성 영역을 띠간격이 더 큰 물질로 둘러쌈

같은 물질로 LED와 PD를 만들 때의 반응 특성: 차이를 설명?

6.4 양자효율

≡들어간 전자의 수나오는 광자의 수

빛

예 6.2 LED의 표면을 수직하게 빠져나가는 빛의 반사계수?

=

= 0.32; 임계 sin 16

6.5 빛을 더 많이 뽑아내는 방법?

그림 6.12 LED의 표면을 처리하기 전, 후의 외부 양자효율 비교. 표면을 처리하면 외부 양자효율이 3배 이상 커진다. Appl. Phys. Lett. 63, 2174 (1993).

6.6 반응시간

반응시간 결정 요소 1) 전자-양공의 재결합 수명

2) 회로 특성 (RC 시상수)

6.7 정상상태에서 주입 전류와 나오는 빛의 일률

기본전제: • 전류가 흐르면 비평형 과잉 전자와 양공 밀도가 생긴다 ( )

• 이 전자와 양공의 일부가 재결합하면서 광자를 낸다(내부)

• 이 광자의 일부가 LED 밖으로 빠져나온다(외부)

• 빛의 일률은 전류에 비례한다.

가정: 방사재결합이 형쪽()에서 일어남

;

전기적 중성 조건

대량 작용법칙(law of mass action)

전하 운반자 농도의 변화: 운반자 농도의 변화율 = 전자 주입률 - 방사 재결합률 - 비방사 재결합률

비방사

: p-n 접합에서의 전자 밀도의 변화율

방사 재결합에 의한 전자-양공 농도의 알짜 변화율

비방사 비방사 재결합에 의한 전자-양공 농도의 알짜 변화율

정상상태 ( )

비방사

≈ 비방사

방사

비방사

≈

방사

; 내부 ≡

방사

비방사

방사

방사 비방사비방사

빛의 생성률

빛 외부⋅부피⋅ ⋅ 외부⋅부피⋅내부⋅

⋅ ⋅

⋅

요약 • (과잉 전자 농도 = 과잉 양공 농도)

• ≈

• ≡ 방사 (방사 재결합율)

• 빛 ⋅⋅ (빛의 일률은 전류에 비례한다)

보기 6.4: LED의 정상상태 분석 = 50 mA = 1.35 m외부 = 0.1

비방사 = 2 ns

= 8×10cm/s = 5×10cm

6.8 오름 시간

물음: LED 주입 전류가 변하면 나오는 빛의 밝기도 그에 따라 변하는가?

전류밀도

비방사

≦

비방사

과잉 전류밀도 ‘

천이율 방정식

비방사

비방사

비방사

계단

이완시간 계단

비방사

1. 주입전류가 작을 때 교류

비방사

2. 주입전류가 클 때 교류

문제 6.5

a) 대역폭의 정의: 대역폭 ≡

⇒ 대역폭

⋅

b) 전류를 조금 흘릴 때:

비방사

⇒ 대역폭

⋅ 비방사

전류를 많이 흘릴 때:

⇒ 대역폭

⋅