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광학반도체

LED(발광 다이오드)는 전류를 직접 빛으로 변경하여 발광하는 반도체 소자입니다. LED의 특징은 부드러운 적색, 녹색과 황생 등의 단색광을 내는 것이며 반도체로 만들어진 것으로 수명이 반영구적입니다.

전기를 빛으로 변경하는 것에는 여러 가지가 있으나, 일반적인 전구도 이에 해당합니다. 전구에 전류를 흐르게 하면 빛이 나고, 이 때에 전류는 전구의 필라멘트를 가열하는 역할을 합니다. 이와 같이 전구는 전기 에너지를 일단 열로 변경한 뒤 빛 에너지로 변경합니다.

LED는 전구와는 달리 전기 에너지를 반도체 안에서 바로 빛으로 변환 할 수가 있습니다. 이러한 이유로 가열하는 과정이 없기 때문에 에너지를 효율적으로 사용할 수 있습니다.

LED의 구조는 일반적인 다이오드와 유사한 PN반도체를 접합한 구조로 되어 있습니다. 이 PN접합에서의 발광이 반도체 안을 통과하여 외부로 나오면 그 빛을 볼 수 있게 됩니다.

LED의 발광 원리

발광 원리를 알기 위해서는 PN접합부에서 무엇이 발생하는 지 점검할 필요가 있습니다. 먼저 반도체에 P형과 N형의 구별이 있는 것은 반도체 안에서 전기를 운반할 수 있는 캐리어의 종류가 다르기 때문입니다. P형 반도체에는 +의 전하를 갖는 정공이, N형 반도체에는 -의 전하를 갖는 전자가 캐리어의 대부분을 차지하고 있습니다.

이 정공과 전자는 서로 반대의 전하를 갖고 있기 때문에 접근하면 흡인력이 작용합니다. 그리고 흡인된 정공과 전자가 충돌하면 에너지를 방출하여 동시에 소멸됩니다. 이 에너지가 바로 빛이 됩니다.

반도체는 주입하는 불순물의 원소에 따라 P형이나 N형이 됩니다. 하나의 반도체 안에 P형과 N형을 만들면, 접합되는 순간 정공과 전자가 충돌합니다. 그러나 그것은 최초에만 하게 되고 상호 소멸된 이후에는 즉시 에너지의 벽이 생겨 그 이상의 소멸을 방지하게 됩니다. 이와 같이 PN접합에서는 정공과 전자는 서로 격리되어 있습니다.

이러한 반도체에 순방향 전압을 가하게 되면 이 전압에 따라 장벽이 약하게 되어 P형에서 N형으로 정공이 흐르게 되고 반대로 N형에서 P형으로 전자가 이동하게 됩니다. 서로의 영역으로 주입된 정공과 전자는 그 즉시 충돌하여 빛 에너지가 되어 소멸합니다.

전하가 이동하면 전류가 되므로 이 떄 PN접합을 통하여 반도체 내부에 전류가 흐르게 됩니다.

PN접합에 순방향 전류를 흐르게 하면, 전자와 정공의 발광에 동반되는 소멸이 생기지만 P형 안에서는 정공이, N형 안에서는 전자가 각각 소멸된 양만큼 만들어집니다. 따라서 LED의 발광은 반 영구적입니다. 전자와 정공이 충돌할 때의 에너지를 빛으로 낼 수 있는 것은 특별한 에너지 구조를 갖는 반도체만 가능합니다. 이것은 재료의 종류에 의해 결정되고, 주로 갈륨(Ga)의 화합물에 한정됩니다.

일반적인 다이오드의 재료인 실리콘은 이와 같은 에너지의 구조가 아니기 때문에 전자와 전하의 충돌은 열 에너지가 되게 됩니다.

LED의 종류

일반 LED

색상의 종류는 적색，녹색，황색이 주류이며 최근에는 청색 발광 다이오드가 개발되어 빛의 ３ 원색이 가능해저서 풀 컬러의 화상 표시가 가능해졌습니다.

크기 및 색상에따른 여러 가지 종류가 있으며 회로 기호는 다음과 같습니다.

적외선 LED

발광 다이오드의 일종으로 특별하게 적외선 파장의 빛을 발생하도록 만든 발광 다이오드입니다．최근 텔레비전등의 리모콘에서 신호 송신용으로 많이 이용되고 있으며 다양한 크기와 형태가 있습니다

7-세그먼트 LED

숫자를 표시하기 위해 발광 다이오드 소자를 여러개 실장 한 것으로７개의 소자로 숫자를 표시할 수 있게 되어있기 때문에 ７세그먼트 표시기라고도 불리고 있습니다．실제의 표시기는 사진과 같은 예가 있고 크기와 색상에 따라 여러 가지가 있습니다. 실제의 세그먼트에는 소수점이 추가되어８ 세그먼트로 되어 있으며 문자 표시를위한 표시기도 판매되고 있습니다.

LED의 주요 특성

Power Dissipation (PD)

LED가 소비할 수 있는 최대전력으로 계산방법은 다음과 같습니다.
PD = Forward Current(IF) * Forward Voltage(VF)

Continuous Forward Current (IF)

LED에 인가할 수 있는 최대 전류를 나타냅니다.

Peak Forward Current (IFP)

Pulse Mode로 LED를 점등시 LED에 인가할 수 있는 최대 전류로 Pulse의 폭과 Duty비에 따라 다릅니다.

Operating Temperature (Topr)

LED를 정상적으로 동작시킬 수 있는 주위온도 범위입니다.

Storage Temperature (Tstg)

LED를 특성의 변화없이 보관가능한 저장온도 범위입니다.

피크발광파장(Peak Wavelength(λP)):

최대 강도로 발광되는 파장을 나타냅니다.
반도체결정의 재료, PN접합을 형성하는불순물의 종류,농도,구조등에 의해 결정됩니다.

스펙트럼 반치폭(Spectrum Half Bandwidth)

최대 발광강도의 1/2의 강도를 가진 두파장 사이의 간격을 말하며, 반치폭이 작을수록 사람의 색감각과의 차이가 적습니다. 사람의 눈은 555nm의 빛에 대한 감도가 아주좋고. 그보다 장파나, 단파로 될수록 감도는 떨어집니다.

Radiation Angle or Half Angle

방사각 0도에서의 광도가 1/2이 되는 좌우 방사각을 말하며 LED의 패키지나 Lens형상에 따라 변화합니다.

Luminous Intensity Iv[mcd]

LED를 정해진 방향으로 방사되는 빛의 단위 면적당 광속을 말합니다.
칸델라[cd], 루멘/스테라디안[lm/Sr] 단위를 사용하며 1 cd은 통상 촛불1개의 밝기를 말합니다.

포토다이오드는 광에너지를 전기 에너지로 변환하는 광센서의 일종이며 그 구성은 반도체의 PN 접합부에 광검출 기능을 추가한 것으로 다음과 같은 특징이 있습니다.


1.	플래너 구조이기때문에 diode특성이 좋고 부하를 걸었을때의 동작특성 이 우수하다
2.	저조도에서 고조도까지 광전류의 직선성이 양호하다
3.	소자간의 광출력의 편차가 동일조립상태에서 적다
4.	응답속도가 빠르다
5.	감도 파장이 넓다

Photo diode의 구조

Photo diode의 동작원리

PN접합에서 P층과 N층의 접합부에는 전위장벽이 생깁니다.
여기에 Eg보다 더 큰 에너지를 갖는 빛(E=hv)이 조사되면 전자는 전도대에 끌어올려지고 전자와 후에 남는 정공이 쌍이되어 형성됩니다.

이렇게 형성된 전자와 정공쌍이 공핍층에서 형성 되었을 경우는 바로 전계에의해 가속되고 전자는 N층으로 정공은 P층으로 이동하게 됩니다.
또 전자와 정공쌍이 P층과 N층에서 발생한 경우에는 P층의 전자와 N층의 정공은 확산하게 되는데, 공핍층에 이르게 되면 전계에 의해 더욱 가속되고 각각 P층, N층에 들어와 전하가 축적되게 됩니다.
이 때 외부의 부하를 단자에 접속하면 빛에너지를 전기 에너지의 형태로 얻을 수 있습니다.

Photo diode의 특성

V - I 특성

Photo Diode의 V - I 특성은 암(Dark)상태에서는 통상의 정류 Diode와 같습니다.

그러나 Photo Diode에 빛이 조사되면 빛의 세기에 따라 V - I 특성이 -쪽으로 이동하게 됩니다. 이때 단자간을 개방해두면 Voc의 전압이 생기고 단락하면 역방향으로 Isc의 전류가 입사광량에 비례해서 흐르게 됩니다.
Isc는 1/1000 Lux ~1/10000 Lux의 범위에서 상당히 좋은직선성을 가지고 있습니다.

분광감도

광원( 태양광 , 형광등 , 텅스텐 전구 , LED , Laser광 등)은 각각 독자의 발광파장을 가지고 있습니다. 그러나 광전자 수광소자는 실리콘 기판으로 소자(CHIP)자체 로써는 가시광 영역부터 근적외선에 이르는 넓은 분광감도를 가지고 있기 때문에 대부분의 광원과의 조합이 가능합니다 .
또한 사용목적에 따라 광학 필터를 붙인 Device도 있으며 가시광 영역만의 감도를 갖는 수광소자와 적외광만의 감도를 갖는 수광소자도 있습니다.

포토 다이오드의 종류

포토 다이오드는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 수광소자의 일종이고, 주로 PIN-PD(PIN-Photodiode)와 APD (Avalanche Photodiode) 가 사용되고 있습니다.

PIN Photo diode

PIN Photo diode는 PN접합의 중간에 캐리어가 적어 저항이 큰 진성반도체의 층(1층)이 설치된 구조입니다. 사용시는 역 바이어스 전압을 걸어 i층은 캐리어의 공핍층으로 하고, 내부에 전기장을 만들어 두어야 합니다.

P층쪽에는 창문이 설치되어 있고, 입사한 빛은 P층을 통과하여 1층으로 들어가고, 그 에너지를 흡수 하여 전기장에 따라 정공과 전자가 생깁니다. 이들 케리어는 전기장에 따라 음극과 양극을 향하여 이동하고 외부에 전류가 되어 방출됩니다. PIN구조는 단순한 PN접합보다 i층내의 높은 전기장에서 고속성이 얻어지는 특성을 가지고 있습니다.

APD

APD는 PN접합 중간에 사태(avalanche)층이 있고, 입사한 빛의 여기에 따라서 발생한 캐리어가 높은 전기장에 의해 사태층내에서 원자에 충돌하여 새롭게 홀과 전자의 쌍을 만들고, 그들이 또 새롭게 충돌을 일으키는 과정에서 avalanche(사태)효과를 일으켜 광전류가 증대되는 원리로 작동됩니다.

증대율은 바이어스 전압이 큰 만큼 커지므로, PIN 포토 다이오드보다 높은 바이어스 전압(수십에서 200볼트정도)에서 사용되고 있습니다. APD는 증배에 수반하여 잡음도 많고, PIN 포토 다이오드보다 S/N비가 작지만 출력 전류가 크기 때문에 다음 단의 증폭기가 포함되면 S/N비는 개선 될 수 있습니다.
따라서 고감도 수광을 목적으로 하는 장거리 통신의 경우는 통상 APD가 사용되지만, 광가 입자계, LAN 등의 중,단거리 통신에서는 특별한 전원을 필요로 하지않는 PIN-PD가 많이 사용되고 있습니다.

Photo transistor

Photo transistor는 포토다이오드의 PN접합을 베이스-이미터 접합에 이용한 트랜지스터입니다.

PN접합 부분에 빛을 비추면 빛 에너지에 의해 생긴 정공과 전자가 외부 회로로 나가게 되는데, 입사광에 의해 전자와 정공이 생기면 역전류가 증가하여 입사광에 대응하는 출력전류를 얻을 수 있습니다. 포토 트랜지스터의 경우는 베이스 전극을 빛이 베이스 전류의 대용이기 때문에 전극을 끌어내지 않는 경우가 많습니다.

Photo Transistor의 일반구조는 NPN(또는 PNP)Transistor와 유사한 구조를 가지고 있지만 광전류를 크게 취하기 위하여 수광부인 Base Area를 크게 가지고 있습니다.

Photo Transistor의 동작 원리

Photo Transistor의 Base와 Collector는 Photo Diode와 같은 원리로 동작하며 입사된 광에 의하여 Base 단자를 (+) Bias됨으로써 트랜지스터의 기능을 수행합니다. (I_c=IL x h_FE)

Base단자를 갖는 Photo Transistor의 동작특성

Photo Transistor중 Base 단자를 갖는 소자의 경우 온도에 의한 생성캐리어(컬렉터 입력전류)를 바이패스 시킴으로서 안정된 특성을 얻을 수 있으며 잉여 캐리어를 RB를 통해 방전시킴으로써 응답속도가 향상되는 특성을 가지고 있습니다.

Photo Interrupter

포토인터럽터는 비접촉으로 물체의 유무 및 위치를 감지할 수 있는 소자로 주로 회전체의 회전검출, 물체의 위치검출에 사용되고 있습니다.

포토 인터럽터의 종류

포토인터럽터는 크게 2종류로 구분할 수 있습니다.

투과형 인터럽터는 발광소자와 수광소자를 일정한 간격을 두고 마주보게 놓아 그 사이의 물체의 유무와 위치를 감지하는 방식입니다. 다른하나는 반사형 포토 인터럽터라고 불리는 것으로 발광소자와 수광소자를 평면상 혹은 각도를 두고 발광소자로부터 나온 광을 물체에 반사시켜 그 반사광을 수광소자에서 검출하는 방식입니다.

Photo coupler

발광 다이오드와 포토 다이오드 또는 포토 트랜지스터를 마주보게 배치하여 소자화 한 것을 포토 커플러라고 합니다. 컴퓨터와 외부 기기의 접속 등 전기적으로 절연할 필요가 있는 곳에 사용됩니다. 실물은 아래와 같으며 일반적인 DIP형 IC와 동일한 형상을 하고 있고 내부에 여러개를 함께 실장 하여 16 핀 패키지로 되는 경우도 있습니다

회로 기호는 일반적으로 아래 그림과 같습니다．

광도전셀(Photoconductive cell)

광전 변환 소자의 대표적인 것 중에 하나이며, 황화 카드뮴(CdS)셀은 조사된 빛의 강약에 따라 그 양끝의 저항값이 변화하며, 빛이 강할 때는 저항값이 작고 빛이 약할 때는 저항값이 큰 성질이 있습니다.

또한 암흑 상태에서는 거의 절연 상태에 가까운 상태가 됩니다.
사용 방법은 전극간에 전압을 인가하여 빛에 의한 저항 변화를 전류 변화로 바꾸어 외부 회로로 끌어내는 형식으로 되어 있습니다. CdS셀의 구조는 아래의 그림과 같습니다.