LED의 원리

LED(발광 다이오드)는 전류를 직접 빛으로 변경하여 발광하는 반도체 소자입니다. LED의 특징은 부드러운 적색, 녹색과 황생 등의 단색광을 내는 것이며 반도체로 만들어진 것으로 수명이 반영구적입니다. 

전기를 빛으로 변경하는 것에는 여러 가지가 있으나, 일반적인 전구도 이에 해당합니다. 전구에 전류를 흐르게 하면 빛이 나고, 이 때에 전류는 전구의 필라멘트를 가열하는 역할을 합니다. 이와 같이 전구는 전기 에너지를 일단 열로 변경한 뒤 빛 에너지로 변경합니다. 

LED는 전구와는 달리 전기 에너지를 반도체 안에서 바로 빛으로 변환 할 수가 있습니다. 이러한 이유로 가열하는 과정이 없기 때문에 에너지를 효율적으로 사용할 수 있습니다. 

LED의 구조는 일반적인 다이오드와 유사한 PN반도체를 접합한 구조로 되어 있습니다. 이 PN접합에서의 발광이 반도체 안을 통과하여 외부로 나오면 그 빛을 볼 수 있게 됩니다.

발광 원리를 알기 위해서는 PN접합부에서 무엇이 발생하는 지 점검할 필요가 있습니다. 먼저 반도체에 P형과 N형의 구별이 있는 것은 반도체 안에서 전기를 운반할 수 있는 캐리어의 종류가 다르기 때문입니다. P형 반도체에는 +의 전하를 갖는 정공이, N형 반도체에는 -의 전하를 갖는 전자가 캐리어의 대부분을 차지하고 있습니다. 

이 정공과 전자는 서로 반대의 전하를 갖고 있기 때문에 접근하면 흡인력이 작용합니다. 그리고 흡인된 정공과 전자가 충돌하면 에너지를 방출하여 동시에 소멸됩니다. 이 에너지가 바로 빛이 됩니다. 

반도체는 주입하는 불순물의 원소에 따라 P형이나 N형이 됩니다. 하나의 반도체 안에 P형과 N형을 만들면, 접합되는 순간 정공과 전자가 충돌합니다. 그러나 그것은 최초에만 하게 되고 상호 소멸된 이후에는 즉시 에너지의 벽이 생겨 그 이상의 소멸을 방지하게 됩니다. 이와 같이 PN접합에서는 정공과 전자는 서로 격리되어 있습니다.

이러한 반도체에 순방향 전압을 가하게 되면 이 전압에 따라 장벽이 약하게 되어 P형에서 N형으로 정공이 흐르게 되고 반대로 N형에서 P형으로 전자가 이동하게 됩니다. 서로의 영역으로 주입된 정공과 전자는 그 즉시 충돌하여 빛 에너지가 되어 소멸합니다. 

전하가 이동하면 전류가 되므로 이 ? PN접합을 통하여 반도체 내부에 전류가 흐르게 됩니다.

PN접합에 순방향 전류를 흐르게 하면, 전자와 정공의 발광에 동반되는 소멸이 생기지만 P형 안에서는 정공이, N형 안에서는 전자가 각각 소멸된 양만큼 만들어집니다. 따라서 LED의 발광은 반 영구적입니다. 전자와 정공이 충돌할 때의 에너지를 빛으로 낼 수 있는 것은 특별한 에너지 구조를 갖는 반도체만 가능합니다. 이것은 재료의 종류에 의해 결정되고, 주로 갈륨(Ga)의 화합물에 한정됩니다. 

일반적인 다이오드의 재료인 실리콘은 이와 같은 에너지의 구조가 아니기 때문에 전자와 전하의 충돌은 열 에너지가 되게 됩니다.