LED 소자가 특정 색의 빛을 방출하는 원리를 반도체의 에너지 띠 간격에 따른 전자의 전이와 광자 에너지 방출로 설명 부탁드려요.

Question

안녕하세요~

LED 소자가 특정 색의 빛을 방출하는 원리를 반도체의 에너지 띠 간격에 따른 전자의 전이와 광자 에너지 방출로 설명 부탁드려요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

LED가 특정 색의 빛을 내는 원리는 반도체의 밴드갭(에너지 띠 간격)과 깊은 관련이 있습니다. 반도체는 전자가 머무는 가전자띠와 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 전도띠로 나뉘며, 이 두 띠 사이에는 전자가 스스로는 넘을 수 없는 에너지 간격, 즉 밴드갭이 존재합니다.

LED에 순방향 전압을 걸면, 전자는 외부 에너지에 의해 전도띠로 올라가고, 동시에 가전자띠에는 전자가 빠져나간 자리인 정공이 생깁니다. 이후 전도띠의 전자가 정공과 재결합하면서 원래 자리로 돌아가는데, 이때 잉여 에너지가 방출됩니다. 그 에너지가 바로 광자(빛 입자)의 형태로 나오게 됩니다.

방출되는 광자의 에너지는 밴드갭의 크기와 정확히 일치합니다. 따라서 밴드갭이 큰 반도체에서는 높은 에너지의 광자가 나오며, 이는 짧은 파장에 해당하는 청색이나 자외선 빛이 됩니다. 반대로 밴드갭이 작은 반도체에서는 낮은 에너지의 광자가 나오고, 이는 긴 파장에 해당하는 적색이나 적외선 빛이 됩니다. 결국 LED의 발광 색은 반도체 재료의 밴드갭 크기에 의해 결정되는 것이죠.

즉, LED는 전자와 정공의 재결합 과정에서 밴드갭 에너지에 해당하는 광자를 방출하고, 그 에너지가 곧 빛의 색을 결정한다는 원리로 설명할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

LED의 색은 반도체의 밴드갭 크기에 의해 결정되는 요소이며, 이때 전자가 전도대에서 가전자대로 전이하는 과정에서 방출하는 광자의 에너지가 빛의 파장, 즉 빛의 색을 결정합니다.

반도체는 전자가 존재할 수 있는 에너지 영역이 가전자대와 전도대로 나뉘어 있고, 이 둘 사이에는 밴드갭이라고 불리는전자가 존재할 수 없는 에너지 구간 있습니다. LED에 전압을 걸어주었을 때 p형과 n형 반도체가 접합된 p-n 접합에서 전자가 전도대로 주입되고, 동시에 정공이 가전자대에 존재하는데요, 전도대에 있던 전자가 가전자대로 떨어지면서 정공과 재결합하게 됩니다. 이때 전자는 전도대와 가전자대 사이의 에너지 차이를 빛의 형태로 방출합니다. 이 밴드갭이 클수록 더 높은 에너지를 방출하면서 파란색 계열의 빛이 나오고, 밴드갭이 작을수록 낮은 에너지를 방출하기 때문에 빨간색 계열의 빛이 나오게 됩니다. 예를 들어, 갈륨 나이트라이드라는 물질의 경우 밴드갭이 커서 파란색이나 자외선을 방출하고, 갈륨 비소의 경우에는 밴드갭이 상대적으로 작아 적색 계열의 빛을 방출합니다. 하지만 모든 반도체가 빛을 잘 내는 것은 아닌데요, LED에는 주로 직접 천이형 반도체가 사용됩니다. 이는 전자가 재결합할 때 에너지를 효율적으로 광자로 방출하기 때문인데요, 반면에 실리콘과 같은 간접 천이형 반도체는 에너지가 주로 열로 소모되기 때문에 빛 방출 효율이 낮습니다. 감사합니다.

Answer 3

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

LED 반도체의 경우 전자가 특정한 곳에만 존재를 합니다.

에너지밴드 라는 곳에 존재하는데 외부에서 에너지를 가하면 전자가 에너지를 받아 에너지 밴드 내에 전도대 라는 높은 위치로 이동을 하게 됩니다.

전도대로 이동을 한 전자는 다시 받은 에너지를 내어놓고 안정된 상태로 이동하고자 하는데 이때 발생하는 것이 빛의 형태로 나타는것이 LED 가 빛을 만들어내는 방식 입니다.

색깔을 결정하는 것은 에너지와 파장사이의 관계로 정해지는데 서로 반비례 관계에 있습니다. 그래서 상대적으로 높은 에너지는 파장이 짧아 푸른빛을 띄고 에너지가 작을경우는 파장이 길어 붉은색을 만들어내게 됩니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)