LED

LED는 순방향으로 전원을 연결하면 에너지 띠 간격(또는 밴드 갭, band gap)에 해당되는 에너지가 광자로 방출되는 전자소자입니다.
LED는 전구에 비해 열효율이 높고 수명이 긴 장점을 가지고 있습니다.

LED는 기본적으로 p-n 접합 다이오드와 같은 구조를 가지고 있습니다.
p-n 접합 다이오드는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜서 만듭니다.
P형 반도체 내부에는 전자들이 비어 있어서 상대적으로 (+)전기를 띠는 공간인 '양공(정공)'들이 들어있으며, N형 반도체 내부에는 (-)전기를 띠는 '자유전자(free electron)'들이 들어있습니다.
p형 반도체와 n형 반도체는 순수한 규소(Si) 또는 저마늄(Ge, 게르마늄)에 불순물을 첨가(도핑)하여 만듭니다. 도핑하는 재료에 따라 에너지 레벨 등 조금씩 다른 전기적 특성을 가집니다.

원자가띠(또는 가전자띠, Valence band)

고체물리학에서 원자가띠는 절대영도에서 전자가 존재하는 가장 높은 전자 에너지 밴드를 가리킵니다. 전자들이 차곡차곡 쌓여 있는 최고 에너지 밴드입니다. 전자들은 밴드 안에서만 관찰되며, 밴드 외부에 있을 수 없습니다.(양자역학의 기본 원리)
순수한 반도체는 전자들이 가득 차 있는 상태가 되므로 전자들이 움직일 수 없습니다. 예를 들면, 자동차로 가득 차서 더 이상 움직일 수 없는 도로를 상상하면 됩니다.
p형 반도체는 원자가띠 내부에 빈공간을 확보하여 전자들의 이동을 가능하게 합니다. 빈 공간은 '양공(또는 정공, electron hole)'이라고 부릅니다.
아래의 퍼즐 사진을 보면 입자들이 이동하기 위해 빈 공간이 왜 필요한지 알 수 있습니다.

전도 띠(Conduction band)

n형 반도체에서는 전자들의 일부가 '전도 띠(Conduction band)'에서 자유롭게 이동할 수 있습니다. 이 전도 띠에 있는 전자들은 전기장이 가해지면(전압이 걸리면) 쉽게 가속되어 전류를 흐르게 합니다.

페르미 레벨(또는 페르미 에너지, Fermi energy)

전자와 같은 입자들이 바닥 상태부터 채워져 올라오는 것을 생각해 봅시다. 페르미 레벨은 이 입자들의 존재 확률이 1/2 인 지점입니다. 컵에 비유하자면, 들어있는 물(수면)의 높이가 됩니다.
p형 반도체에서 양공은 페르미 레벨보다 조금 낮게 위치합니다. n형 반도체의 자유 전자들은 페르미 에너지 보다 조금 높은 곳에 있습니다.
별도의 전압을 가하지 않은 상태에서 p형 반도체와 n형 반도체를 붙여 놓으면 둘의 페르미 레벨은 같은 수준으로 조정됩니다. 이 상태를 '열적 평형'이라고 합니다.
열적 평형 상태의 다이오드에 전원을 연결하면 (-)극과 연결된 쪽의 페르미 레벨은 높아지고, (+)극과 연결된 쪽의 페르미 레벨은 낮아집니다(전자의 수요 공급에 따라서).

밴드 갭에 따른 빛의 파장

다이오드에 순방향 전압을 가하면 페르미 레벨의 변화가 생기며 전류가 흐릅니다. 자유 전자는 접합부를 건너가 양공과 결합합니다. 이때, 자유 전자와 양공이 위치하고 있던 에너지 띠 간격(밴드 갭) 만큼 에너지가 방출됩니다. 밴드 갭이 약 2~3 eV 이면 전자가 방출하는 에너지는 눈으로 볼 수 있는 가시광선이 됩니다. 밴드 갭을 E(eV)라고 할 때, 방출되는 빛의 파장 λ(nm)는 다음과 같이 구합니다.

\[ \lambda (nm) \approx \frac{1240}{E(eV)} \]