Electron meets hole, photon is born.
LED, 전자와 정공이 만나 빛이 되는 곳
LED — where electrons meet holes and become light
앞 레슨에서 본 다이오드는 전류를 한 방향으로만 흘리는 부품이었습니다. 그런데 어떤 다이오드는 순방향으로 켜질 때 단순히 전류만 흘리는 게 아니라, 거기서 빛을 뿜어냅니다. 바로 LED(발광 다이오드)입니다. 비밀은 접합부에서 일어나는 한 가지 사건에 있습니다. n쪽에서 몰려온 전자가 p쪽에서 몰려온 정공과 만나 서로를 채우는 순간, 전자가 갖고 있던 여분의 에너지가 빛 알갱이, 즉 광자(photon) 하나로 변해 튀어나오는 것입니다. 이 사건을 재결합(recombination)이라고 부릅니다.
The diode in the previous lesson was a one-way valve for current. But some diodes do something more: when they turn on in the forward direction, they emit light. That is the LED — light-emitting diode. The secret is a single event at the junction: the moment an electron flooding in from the n-side fills a hole from the p-side, the electron's excess energy is released as a single particle of light — a photon. This event is called recombination.
여기서 가장 흥미로운 점은, 광자가 가진 에너지가 곧 그 반도체의 띠 간격 $E_g$ 와 거의 같다는 사실입니다. 그리고 빛의 에너지는 곧 색을 정합니다. 띠 간격이 작은 물질은 붉은빛이나 적외선을, 큰 물질은 푸른빛이나 자외선을 냅니다. 그래서 LED의 색을 바꾸려면 물감을 바꾸는 게 아니라 반도체의 띠 간격을 바꾸면 됩니다. 인듐과 갈륨의 비율을 조절하거나 알루미늄을 더하는 식으로 띠 간격을 설계하면, 같은 원리의 소자에서 무지개 전체를 끌어낼 수 있습니다.
What makes this remarkable is that the photon's energy equals the semiconductor's bandgap $E_g$ almost exactly. And energy determines colour: a smaller bandgap produces red or infrared light; a larger one produces blue or ultraviolet. So to change an LED's colour, you do not use a different paint — you engineer a different bandgap. By tuning the ratio of indium to gallium, or adding aluminium, you can extract the entire visible rainbow from the same operating principle.
오랫동안 붉은색과 녹색 LED는 있었지만 푸른색만큼은 만들기가 무척 어려웠습니다. 1990년대 초, 질화갈륨(GaN)을 다룬 연구로 마침내 고효율 청색 LED가 등장했고, 이 업적은 2014년 노벨 물리학상으로 이어졌습니다. 빨강, 초록, 파랑이 모두 갖춰지자 비로소 흰빛을 만들 수 있게 되었고, 오늘날 우리가 쓰는 거의 모든 조명과 화면이 그 위에 서 있습니다. 아래에서 물질과 구동 전류를 바꿔 가며 띠 간격이 어떻게 색과 밝기로 바뀌는지 직접 확인해 보세요.
For decades red and green LEDs existed, but blue proved almost impossibly difficult. In the early 1990s, breakthroughs with gallium nitride (GaN) finally yielded a high-efficiency blue LED — an achievement recognised with the 2014 Nobel Prize in Physics. With red, green, and blue all available, white light became possible, and nearly every lamp and display we use today rests on that foundation. Use the controls below to change the material and drive current, and watch how the bandgap becomes colour and brightness.
에너지 띠 간격이 곧 빛의 색입니다.
The bandgap is the colour.
반도체의 색을 정하는 것은 도대체 무엇일까요?
LED 안에서 일어나는 일은 의외로 단순합니다. 순방향으로 전압을 걸면 전자가 전도띠로, 정공이 가전자띠로 모여 접합부에서 만납니다. 전도띠에 있던 전자가 가전자띠의 빈자리(정공)로 떨어지며 두 캐리어가 함께 사라지고, 그때 전자가 잃은 에너지가 빛 알갱이 하나로 바뀝니다. 이 에너지는 두 띠 사이의 거리, 즉 띠 간격 $E_g$ 와 거의 같습니다. 그리고 빛의 에너지는 곧 진동수이고, 진동수는 곧 색이므로, 띠 간격이 작으면 붉은 쪽, 크면 푸른 쪽의 빛이 나옵니다.
다만 모든 반도체가 빛을 잘 내는 것은 아닙니다. 여기서 "직접 띠 간격"과 "간접 띠 간격"의 차이가 결정적입니다. 직접 띠 간격 반도체(GaAs, GaN 등)에서는 전자가 정공으로 곧장 떨어지면서 에너지를 거의 그대로 빛으로 내놓습니다. 반면 실리콘 같은 간접 띠 간격 반도체에서는 전자가 떨어질 때 운동량까지 맞춰 줘야 해서, 에너지 대부분이 빛이 아니라 격자의 진동, 즉 열로 새어 나갑니다. 그래서 컴퓨터 칩의 주재료인 실리콘으로는 좋은 LED를 만들 수 없고, LED와 레이저에는 따로 직접 띠 간격 화합물 반도체를 씁니다.
What exactly determines which colour a semiconductor emits?
What happens inside an LED is surprisingly simple. Forward bias pushes electrons into the conduction band and holes into the valence band; they converge at the junction and meet. The moment a conduction-band electron drops into a valence-band hole (recombination), both vanish and the electron's lost energy is released as a single photon. That energy is almost exactly equal to the gap between the two bands — the bandgap $E_g$. Energy sets frequency, frequency sets colour: smaller bandgap means red or infrared; larger bandgap means blue or ultraviolet.
Not every semiconductor emits light efficiently. This is where the distinction between a direct and an indirect bandgap is decisive. In a direct-bandgap semiconductor (GaAs, GaN, etc.) the conduction-band minimum and the valence-band maximum sit at the same point in momentum space. An electron can fall straight across and release a photon. In an indirect-bandgap semiconductor like silicon the two extrema are offset in momentum, so a phonon (lattice vibration) must participate to conserve momentum — a three-particle process that rarely happens. Most of the energy leaks out as heat instead of light. That is why silicon, despite being the backbone of computing, cannot make a good LED; light emitters and lasers use direct-bandgap compound semiconductors.
Q1 왜 컴퓨터의 주재료인 실리콘으로는 빛나는 LED를 못 만들까요?
Q1 Why can't silicon — the backbone of computing — make a bright LED?
Q2 흰색 LED는 따로 흰빛을 내는 반도체가 있는 걸까요?
Q2 Is there a semiconductor that directly emits white light?
순방향 바이어스에서 전도띠로 올라온 전자가 가전자띠의 정공과 만나 사라질 때, 전자가 잃은 에너지가 빛으로 방출됩니다. 직접 띠 간격 반도체에서는 이 과정의 내부 효율이 매우 높지만(거의 90%에 이르기도 합니다), 간접 띠 간격 반도체에서는 에너지가 대부분 열로 흩어져 발광 효율이 매우 낮습니다.
방출되는 광자의 에너지는 띠 간격과 거의 같고, 파장은 에너지에 반비례합니다. 어림셈으로 띠 간격이 1전자볼트면 파장은 약 1240나노미터 (적외선), 2전자볼트면 약 620나노미터(붉은색), 3전자볼트면 약 410나노미터(푸른색)입니다. 띠 간격 한 값이 곧 LED의 색을 정합니다.
화합물 반도체는 구성 원소의 비율을 바꿔 띠 간격을 매끄럽게 조절할 수 있습니다. 예를 들어 인듐갈륨질화물(InGaN)에서 인듐 함량을 늘리면 띠 간격이 줄어 푸른색에서 녹색 쪽으로 이동하고, 알루미늄을 더한 AlGaN은 띠 간격이 커져 자외선을 냅니다. 풀컬러 디스플레이의 바탕이 바로 이 띠 간격 설계입니다.
안에서 만든 광자가 모두 밖으로 나오는 것은 아닙니다. 반도체와 공기의 굴절률 차이 때문에 상당수가 안에서 되튕겨 갇히기 때문입니다. 내부에서 만든 비율(내부 양자효율)과 밖으로 빠져나오는 비율(추출 효율)을 곱한 것이 외부 양자효율이며, 표면을 거칠게 가공하거나 돔 렌즈를 씌워 이 값을 끌어올립니다.
When a forward-biased electron in the conduction band meets a valence-band hole and the two annihilate, the lost energy is emitted as a photon. In a direct-bandgap semiconductor this radiative recombination is highly efficient (internal quantum efficiency can approach 90 %). In an indirect-bandgap semiconductor most of the energy dissipates as heat.
The emitted photon has energy close to the bandgap, and wavelength is inversely proportional to energy. A useful rule: 1 eV bandgap gives ~1240 nm (infrared), 2 eV gives ~620 nm (red), 3 eV gives ~410 nm (violet). One bandgap value sets the LED colour.
Compound semiconductors let you tune the bandgap continuously by changing the elemental ratio. Increasing the indium content in InGaN, for instance, shrinks the bandgap and shifts emission from blue toward green. Adding aluminium to form AlGaN widens the bandgap toward ultraviolet. Full-colour displays are built on exactly this bandgap engineering.
Not every photon created inside the chip exits. The large refractive-index contrast between the semiconductor and air causes total internal reflection, trapping a significant fraction inside. External quantum efficiency = internal quantum efficiency × extraction efficiency ($\eta_{EQE} = \eta_{IQE}\cdot\eta_{extraction}$). Surface texturing, photonic crystals, and dome lenses are used to recover those trapped photons.
LED는 작은 계단에서 공이 굴러떨어지는 것과 같습니다. 전자라는 공이 높은 칸(전도띠)에서 낮은 칸(가전자띠)으로 떨어지면서, 떨어진 높이만큼의 에너지를 빛 한 알로 내놓습니다. 계단의 높이(띠 간격)가 낮으면 붉은빛, 높으면 푸른빛이 나옵니다. 그래서 LED의 색을 바꾸려면 물감을 바꾸는 게 아니라 계단의 높이를 바꾸면 됩니다.
An LED is like a ball rolling down a step. The electron (the ball) falls from a high shelf (conduction band) to a low shelf (valence band) and releases energy equal to the step height as a single flash of light. A low step produces red light; a high step produces blue. To change the colour you don't change the paint — you change the height of the step.
방출 광자의 에너지는 플랑크 관계로 주어지며, 파장으로 환산하면 다음과 같습니다. $$E_{photon} = h\nu = \frac{hc}{\lambda} \approx E_g \quad\Rightarrow\quad \lambda(\text{nm}) \approx \frac{1240}{E_g(\text{eV})}$$ 엄밀하게는 열적 분포 때문에 방출 스펙트럼이 $E_g$ 부근에서 폭 약 $1.8\,kT$ 만큼 퍼져, 단색이 아니라 좁은 띠로 나타납니다.
직접 띠 간격 반도체는 전도띠 최저점과 가전자띠 최고점이 운동량 공간에서 같은 위치($k=0$)에 있어, 광자 방출만으로 운동량 보존이 충족됩니다. 간접 띠 간격(예: 실리콘, 게르마늄)은 두 극점의 운동량이 달라 포논의 도움이 필요한 삼체 과정이라 발광 확률이 수 자릿수 낮습니다. 그래서 발광 소자에는 GaAs, GaN 같은 III-V 직접 띠 간격 화합물을 씁니다.
외부 양자효율은 내부 양자효율과 추출 효율의 곱으로 나뉩니다. $\eta_{EQE} = \eta_{IQE}\cdot\eta_{extraction}$. 내부 효율은 복사 재결합과 비복사 재결합(SRH, 오제)의 경쟁으로 결정되고, 추출 효율은 반도체와 공기의 큰 굴절률 차이로 인한 전반사 때문에 낮아집니다. 표면 텍스처링, 광결정, 돔 렌즈가 이 임계각 손실을 완화합니다.
The emitted photon's energy is given by the Planck relation; converting to wavelength: $$E_{photon} = h\nu = \frac{hc}{\lambda} \approx E_g \quad\Rightarrow\quad \lambda(\text{nm}) \approx \frac{1240}{E_g(\text{eV})}$$ In practice the thermal distribution of carriers broadens the emission spectrum by about $1.8\,kT$ around $E_g$, producing a narrow band rather than a single wavelength.
In a direct-bandgap semiconductor the conduction-band minimum and valence-band maximum both sit at $k=0$ in momentum space, so momentum conservation is satisfied by a photon alone. In an indirect-bandgap material (e.g. Si, Ge) the two extrema are offset in momentum; a phonon must participate, making the process three-body and many orders of magnitude less probable. This is why light-emitting devices use III-V direct-bandgap compounds such as GaAs and GaN.
External quantum efficiency is the product of internal quantum efficiency and extraction efficiency: $\eta_{EQE} = \eta_{IQE}\cdot\eta_{extraction}$. Internal efficiency is set by the competition between radiative recombination and non-radiative processes (SRH traps, Auger). Extraction efficiency suffers from total internal reflection at the large refractive-index step between semiconductor and air. Surface texturing, photonic crystals, and dome lenses recover light that would otherwise be trapped.
LED는 순방향 다이오드 안에서 전자와 정공이 재결합하며 띠 간격만 한 에너지의 광자를 내놓는 소자입니다. 띠 간격이 빛의 색을 정하고, 직접 띠 간격이어야 빛이 효율적으로 나오며, 원소 비율을 바꿔 색을 설계합니다. 청색 LED의 발명으로 흰빛까지 만들 수 있게 되면서 조명과 디스플레이의 시대가 열렸습니다. 다음 레슨에서는 전류로 전류를 제어하는 BJT 트랜지스터로 넘어가, 같은 접합이 어떻게 증폭과 스위칭을 해내는지 살펴보겠습니다.
An LED is a forward-biased diode in which electrons and holes recombine and release photons with energy equal to the bandgap. The bandgap determines the colour; a direct bandgap is required for efficient emission; and elemental ratios are tuned to design the colour. The invention of the blue LED enabled white light and opened the era of modern lighting and displays. The next lesson turns to the BJT transistor — asking how the same junction architecture enables current amplification and switching.
CHECK 스스로 확인하기
1. 같은 구조의 LED인데 색을 푸른 쪽으로 바꾸려면 띠 간격을 어떻게 해야 할까요?
→ 띠 간격을 키워야 합니다. 띠 간격이 클수록 광자 에너지가 커지고 파장이 짧아져(λ ≈ 1240/E_g) 푸른빛이 됩니다.
2. 실리콘이 좋은 LED 재료가 아닌 까닭은?
→ 간접 띠 간격이라 재결합에 포논이 필요한 삼체 과정이고, 에너지 대부분이 빛이 아닌 열로 빠져나가기 때문입니다.
3. 흰색 LED는 어떻게 흰빛을 만들까요?
→ 청색 LED 위에 노란 형광체(YAG:Ce)를 입혀 청색과 노란색을 섞거나, 빨강·초록·파랑 LED를 합쳐 만듭니다.
CHECK Self-check
1. To shift an LED's colour toward blue, should the bandgap be made larger or smaller?
→ Larger. A bigger bandgap means higher photon energy and shorter wavelength (λ ≈ 1240/E_g), shifting emission toward blue.
2. Why is silicon a poor LED material?
→ Silicon has an indirect bandgap, so recombination requires a phonon (three-body process), and most energy escapes as heat rather than light.
3. How does a white LED produce white light?
→ A blue LED coated with a yellow phosphor (e.g. YAG:Ce) mixes the transmitted blue with the converted yellow to produce white, or separate red, green, and blue LEDs are combined.