다이오드와 발광 다이오드(LED)

핵심 정리

다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체를 맞붙여 만든 p-n 접합 소자이다. 두 반도체가 만나는 접합면을 기준으로 전류가 한쪽 방향으로 잘 흐르는 성질이 나타난다. 다이오드는 이 성질을 이용해 교류를 한 방향으로만 흐르게 하는 정류 작용을 한다.

다이오드는 전압의 방향에 따라 두 가지 상태로 동작한다. 전원의 양극을 p형 쪽에, 음극을 n형 쪽에 연결하면 p형 쪽의 전위가 n형 쪽보다 높아져 순방향 바이어스가 걸린다. 다이오드에 순방향 전압이 걸리려면 p형 쪽의 전위가 n형 쪽보다 높아야 한다.다이오드에 순방향 전압이 걸리려면 p형 쪽이 n형 쪽보다 전위가 높아야 한다. 반대로 n형 쪽의 전위가 높아지면 역방향 바이어스가 걸린다. 이때 다이오드에는 전류가 거의 흐르지 않는다.다이오드에 역방향 전압이 걸리면 전류가 거의 흐르지 않는다.

순방향 상태에서는 접합면 양쪽의 캐리어가 접합면을 향해 움직이며 전류가 흐른다. n형 반도체의 전자는 접합면 쪽으로 이동하고, p형 반도체의 양공도 접합면 쪽으로 이동한다. 특히 순방향 바이어스된 p-n 접합에서 p형 반도체의 양공은 접합면 쪽으로 이동한다.순방향 바이어스된 p-n 접합에서 p형 반도체의 양공은 접합면 쪽으로 이동한다. 이때 전류는 p형 반도체에서 n형 반도체 쪽으로 흐른다.

발광 다이오드(LED)는 p-n 접합 구조를 가진 다이오드의 한 종류로, 순방향 전압을 걸었을 때 빛을 내는 반도체 소자이다. 발광 다이오드의 p-n 접합면에서 전자와 양공이 결합하며 빛이 방출된다. 순방향 전압을 걸면 p형 쪽의 양공과 n형 쪽의 전자가 접합면에서 결합한다. 따라서 LED는 순방향 전압이 걸릴 때 빛을 방출한다.LED는 순방향 전압이 걸릴 때만 빛을 방출한다. LED의 색은 재료에 따라 달라진다.

자세히

다이오드의 동작은 접합면 근처에서 일어나는 캐리어의 움직임으로 이해할 수 있다. p형 반도체에서는 양공이 다수 캐리어이고, n형 반도체에서는 전자가 다수 캐리어이다. 두 반도체를 접합하면 접합면 근처에서 캐리어들이 서로 결합한다. 그 결과 이동할 수 있는 전자와 양공이 적고, 고정된 이온 전하가 남은 영역이 생긴다. 이 영역을 공핍층이라 한다. 고정된 이온 전하는 공간 전하와 내부 전기장을 만든다. 공핍층은 전압의 방향에 따라 넓어지거나 좁아진다.

역방향 전압이 걸리면 공핍층이 넓어진다. 이때 n형 반도체의 전자는 접합면에서 멀어지는 방향으로 이동한다. 전자와 양공이 접합면 근처에서 멀어지므로 공핍층이 넓어지고, 그 결과 전류는 거의 흐르지 않는다. 역방향 전압이 걸린 상태에서는 다이오드가 전류를 차단한다.

순방향 전압이 걸리면 공핍층이 좁아진다. p형 쪽의 양공과 n형 쪽의 전자가 접합면을 향해 움직여 접합면 근처에서 만나므로, 전류가 흐를 수 있다. 이때 전류는 p형 반도체에서 n형 반도체 쪽으로 흐른다. 이 방향을 기억하면 회로에서 다이오드가 전류를 통과시키는지 차단하는지 판단할 수 있다.

다이오드를 스위치가 있는 회로에 연결할 때는 전류의 방향을 살펴야 한다. 다이오드는 한 방향으로만 전류를 흐르게 하므로, 스위치를 바꾸면 전류가 흐르는 경로와 방향이 달라질 수 있다.

발광 다이오드는 다이오드의 순방향 동작을 빛으로 바꾼 소자이다. 접합면에서 전자가 양공과 결합할 때 에너지가 빛의 형태로 방출된다. 방출되는 빛의 파장은 접합에 쓰인 반도체의 띠틈 크기와 대응한다. 띠틈이 클수록 방출되는 빛의 진동수가 크다. 따라서 재료를 바꾸면 LED의 색도 달라진다. 빛의 삼원색인 빨강, 초록, 파랑을 합성하면 백색광이 된다.

태양 전지는 발광 다이오드와 반대 방향으로 에너지를 변환하는 p-n 접합 소자이다. 빛을 받아 직류 전류를 발생시키며, 이 전류가 교류로 바뀌는 것은 아니다. 접합면에서 생성된 양공은 p형 반도체 쪽으로 이동한다. 빛에 의해 생긴 캐리어는 접합면의 전기장에 의해 분리되어 방향성 있는 전류를 만든다. 이처럼 태양 전지와 LED는 서로 반대 방향의 에너지 변환을 한다.