Physics III · Semiconductor Devices

p-n 접합 다이오드와 LED

공핍층의 변화, 순방향과 역방향 바이어스, 정류 작용, 그리고 LED의 재결합 발광을 한 화면에서 함께 탐구해 보세요.

p형 반도체와 n형 반도체를 접합하면 접합면 근처에서 전자와 양공이 재결합하여 공핍층이 형성됩니다. 순방향 바이어스에서는 외부 전기장이 내장 전기장을 약화시켜 공핍층이 줄어들고 전류가 흐르며, 역방향 바이어스에서는 공핍층이 넓어져 전류가 거의 흐르지 않습니다.

LED 조명, 스마트폰 충전기의 정류 회로, 신호등, 디스플레이, 태양 전지 등은 모두 p-n 접합의 원리를 활용합니다.

물리학 III편 p170~175: p-n 접합, 다이오드, LED, 정류 작용

바이어스무바이어스

전압0.0 V

전류0.00 mA

공핍층 폭보통

p-n 접합p형(양공) + n형(전자) 접합 → 공핍층 형성

정류 작용순방향: 공핍층 감소, 역방향: 공핍층 증가

LEDΔE = hf = hc/λ

띠틈이 클수록 방출되는 빛의 파장은 짧아지고 에너지는 커집니다.

Rectifier & Light Emission

순방향에서는 흐르고, 역방향에서는 막는다

다이오드는 순방향 바이어스에서만 전류를 효과적으로 통과시키는 정류 소자입니다. LED는 이때 접합면 근처 재결합 에너지를 빛으로 내보내는 특별한 다이오드입니다.

공핍층 애니메이션 I-V 특성 곡선 LED 발광 색상 전환

선택한 LED 색상에 맞춰 띠틈과 파장이 바뀌고, 순방향 전류가 충분할 때만 발광 강도가 커집니다.

대기 상태

LED 색상

빨강

파장 λ

660 nm

띠틈 Eg

1.8 eV

발광 조건

문턱 전압 약 1.8 V

순방향 바이어스에서 전자와 양공이 재결합할 때 빛이 방출됩니다.

역방향에서는 누설 전류만 흐르고, 순방향에서는 문턱 전압 이후 전류가 급격히 증가합니다.

I-V 곡선 표시가 꺼져 있습니다.

정류 작용: 순방향에서만 전류가 크게 흐릅니다.

순방향 LED에서는 전자가 더 낮은 에너지 상태로 전이하며 광자를 내보냅니다.

에너지띠 다이어그램이 꺼져 있습니다.

ΔE = hf = hc/λ, 띠틈이 클수록 더 짧은 파장의 빛이 나옵니다.

다이오드는 p형과 n형 반도체의 접합에서 생기는 공핍층과 내장 전위를 이용해 전류 방향을 선택합니다. LED는 같은 구조를 바탕으로 재결합 에너지를 빛으로 바꾸는 발광 소자입니다.

ΔE = hf = hc/λ

전자의 에너지 차이가 클수록 빛의 진동수 f는 커지고 파장 λ는 짧아집니다. 그래서 빨강보다 파랑 LED가 더 큰 띠틈을 가집니다.