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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
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* 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
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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
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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
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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
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같은 물질로 LED와 PD를 만들 때의 반응 특성: 차이를 설명?
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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?
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그림 6.12 LED의 표면을 처리하기 전, 후의 외부 양자효율 비교. 표면을 처리하면 외부 양자효율이 3배 이상 커진다. Appl. Phys. Lett. 63, 2174 (1993).
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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.
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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
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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)
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보기 6.4: LED의 정상상태 분석 = 50 mA = 1.35 m외부 = 0.1
비방사 = 2 ns
= 8×10cm/s = 5×10cm
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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
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이완시간 계단
비방사
1. 주입전류가 작을 때 교류
비방사
2. 주입전류가 클 때 교류
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문제 6.5
a) 대역폭의 정의: 대역폭 ≡
⇒ 대역폭
⋅
b) 전류를 조금 흘릴 때:
비방사
⇒ 대역폭
⋅ 비방사
전류를 많이 흘릴 때:
⇒ 대역폭
⋅