실험 1 : LED (Light Emitting Diode)

【 이론 】

빛의 특성

양자 이론으로부터 빛은 광자(Photon)라고 부르는 에너지의 불연속적인 다발로 알려졌다. 광자가 갖는 에너지는 빛의 주파수에 따라 다르며 다음 식으로 표현된다.

 

$$ ε~=~ hf~

여기서

$$ ε

는 에너지,

$$ f~

는 주파수, 그리고

$$ h~

는 플랑크 상수이며 그 값은 6.624×10^-34 [j·s] 이다.

위 식으로부터 빛에너지는 주파수에 직접적으로 관련되어 있음을 알 수 있다. 주파수가 증가하면 에너지도 증가하며, 또한 그 역도 성립한다. 빛은 보통 주파수보다는 파장으로 나타내며, 파장 λ는 다음과 같이 표현된다.

 

$$ λ ~=~ c over f~

여기서

$$ c~

는 광속 (3×10⁸ m/s)이다.

$$ c~

가 m/s이고

$$ f~

가 Hz일 때 λ는 m가 된다. 그러나, 옹스트롱 (Å)이 파장의 단위로서 더 보편적으로 사용된다. 1Å은 1×10^-10 m 이다. 빛의 파장은 그림 18-1과 같이 가시영역 내에서는 빛의 색깔을 결정하고 가시영역 밖에서는 빛이 적외선인지 또는 자외선인지를 결정한다. 즉, 백색광은 무수한 파장대의 주파수가 합성되어 있음을 알 수 있다.

광전자 소자를 포함한 어떤 광원도 파장의 한계 범위를 초과하는 빛을 방출한다. 파장 (혹은 주파수)에 대한 에너지양을 그래프상에 그릴 때 그것을 방출 스펙트럼(Emission Spectrum)이라 한다.

발광이 아닌 빛에 의해 활성된 어떠한 광전자 소자도 파장의 일정한 영역에서만 반응한다. 이 특성을 스펙트럼 응답(Spectrum Response)이라고 한다.

광원으로부터 방출되는 빛의 양은 보통 루멘(Lumen)으로 측정된다. 빛의 세기는 단위 면적에 떨어지는 루멘의 양이고 보통 평방 미터당 루멘

$$ (lm/m^2 ~)

, 푸트-캔들(Foot-Candle, fc) 또는, 평방 미터당 와트(W/m²)로 표현한다. 1fc는 평방 미터당 1캔들(Candle)이고 다음과 같이 다른 공통 단위로 표현될 수 있다.

 

$$ 1fc ~=~ 10.764lm/m^2 ~=~ 1.609 TIMES 10^-12 ~ W/m^2

발광 다이오드(LED)

LED(Light-Emitting Diode)는 전기에너지에 의해 빛을 방출하는 발광 소자이다. 즉, Photo 다이오드는 빛에너지를 흡수하여 역방향 전류를 생성하였으나 LED는 본질적으로 그것과 정 반대의 동작을 한다. 또한, 포토다이오드는 역 Bias로 사용하나 LED는 순 방향 Bias로 사용한다는 점에 유의하길 바란다.

LED의 기본 동작은 다음과 같다. 그림 18-2 (a)에서와 같이 pn 접합 양단에 순방향 Bias를 인가하면 n형 영역의 전자가 p형 영역으로 주입된다. p 영역에 주입된 전자는 정공과 재결합(Recombination)하는데 이때 전도대의 자유 전자는 가전자대의 정공보다 에너지 준위가 높기 때문에 재결합 할 때 그 준위차에 해당하는 에너지가 빛으로 방출된다

$$ (f ~=~ E_g over h )

. 이런 과정을 전기 발광(Electro-Luminescence)이라고 하며 반도체 재료에 따라 발광 파장대가 다르므로 색깔이 다른 빛을 얻을 수 있다.(

$$ E_g

가 다르므로) LED에 사용되는 반도체 재료는 GaAs(Gallium Arsenide : 적외선 발광), GaAsP(Gallium Arsenide Phosphide : 적색 또는 황색 발광), GaP(Gallium Phosphide : 적색 혹은 녹색 발광)등이 있다. Si과 Ge은 본질적으로 열생성 물질이며, 빛 생성 능력이 낮기 때문에 LED 재료로 사용되지 않는다. (전자와 정공의 재결합시 에너지 준위차에 해당하는 에너지는 주로 열로 소모된다.)

순방향 전류에 대한 발광된 빛의 세기는 그림 18-2 (b)와 같이 거의 비례한다.

광 다이오드(Photo Diode)

광 다이오드는 동작영역이 역바이어스 영역으로 제한되는 반도체 pn접합소자이다. 포토다이오드의 회로 기호는 그림 18-3에 표시되어 있다. 다이오드의 역포화전류는 열적으로 발생된 소수캐리어에 의한 것이기 때문에 보통 몇 A로 제한되어 있으나 접합면에 빛을 가하면 광에너지에 의하여 소수캐리어가 증가하여 전류의 증가를 나타낸다. 빛을 비추지 않았을 때 나타나는 전류를 암(dark) 전류라 한다. 포토다이오드는 포토트랜지스터와 비교하여 광 감도가 낮다는 단점은 있으나, 다른 한편으로는 아래와 같은 장점이 있다.

(1) 입사광량과 출력전류의 직선성이 양호하다.

(2) 응답속도가 빠르다.

(3) 출력의 분산이 적다.

(4) 주위온도의 변화에 따른 출력변동이 적다.

그림 18-4는 포토다이오드의 기본회로 및 그 등가회로와 순방향-전류특성 곡선상의 동작점을 나타내고 있다. 역바이어스 전압을 가한 경우 그림 18-4와 같고 다음과 같은 장점이 있다.

(1) 부하저항을 크게 해도 출력이 포화되지 않는다.

(2) 응답속도가 빨라진다.(접합용량

$$ C_j~

가 감소되기 때문에)

단점은 암전류가 증가하는 점이다.