【전자회로 기본Ⅰ】 9강 - LED 발광 다이오드

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8강에서는 쇼트키 다이오드에 대하여 학습하였음

쇼트키 다이오드란 금속과 n형 실리콘 반도체의 접합으로 되어있는 다이오드임

쇼트키 다이오드의 경우 N형 반도체와 금속 접합의 공핍영역은 N형 반도체에 형성되는 양이온 층만으로 이뤄짐 따라서 금속에는 정공이 없어 음 이온층이 형성되지 않아 전위장벽이 일반 pn접합보다 낮음

그렇기에 금속과 인접한 실리콘의 전자의 에너지 준위의 차이인 쇼트키 배리어는 0.3V정도로 일반 다이오드에 비해 매우 낮음

낮은 접합전위를 갖기 때문에 쇼트키 다이오드는  낮은 순방향 전압과 낮은 역 항복전압, 높은 역방향 누설 전류를 가짐

쇼트키 다이오드의 특징으로는 낮은 턴온 전압, 낮은 접합 커패시턴스, 빠른 복구 시간 등이 있음

쇼트키 다이오드의 순방향 전압 강하가 낮다는 점과 빠른 스위칭 속도를 이용하여 태양전지, 전력 정류기, 고속 스위칭 정류기 등에 사용됨

 

https://nate0707.tistory.com/107

【전자회로 기본Ⅰ】 8강 - 쇼트키 다이오드

 

1. LED의 특성

 

- LED $(Light Emitting Diode)$

 

LED란 순방향 바이어스 방향으로 작동할 때 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 반도체 장치를 말함

 

회로에서 위와같이 표현됨

 

전자가 정공과 재결합할 때마다 반도체 다이오드에서 에너지는 광자의 형태로 잠깐 방출됨

n층의 전자가 p층으로 이동해 정공과 결합하면서 에너지를 발산하는 것임

이 때 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 발생하는데, 빛의 형태가 바로 LED임

 

통상적인 실리콘 다이오드는 광자 대부분이 실리콘 내에서 열로 변환되고, 극히 적은 양의 광만이 다이오드 구조를 벗어나며 이 또한 적외선 영역으로 제한된 파장을 가지고 있어 발광에 적합하지 않음

따라서 LED 다이오드를 이용할 때는 갈륨 비소 GaAS 갈륨 비소 인화물 GaAsP 갈륨 인화물 Gap 와 같은 물질을 사용함

 

# LED의 외관 구성

 

투명하고 단단한 플라스틱 에폭시 수지 반구형 쉘 또는 본체로 둘러싸여 있어 진동과 충격으로부터 LED를 보호함

에폭시 수지 몸체는 접합에 의해 방출된 광자가 다이오드가 부착된 주변 기판베이스로부터 반사되어 위쪽으로 집중됨

LED의 돔형 상단을 통해 빛의 양을 집중시키는 렌즈처럼 작동하여 방출된 빛이 LED 상단에서 가장 밝게 보이게 함 

 

 

- LED 동작 방식

 

발광 다이오드는 순방향 바이어스가 될 때 빛을 방출함

 

순방향 바이어스가 인가되면 pn 접합의 경우처럼 전류가 흐름

 

 

p형 영역의 정공과 n형 영역의 전자가 접합에 들어가고 전류가 흐르도록 일반 다이오드처럼 재결합을 시킴

그러면 높은 에너지 밴드의 전자는 낮은 에너지 밴드의 홀을 갖는 접합층을 가로질러 재결합 함

 

 

재결합하는 과정에서 에너지가 방출되며 일부가 실리콘 내에서 열로 변환되고, 남은 에너지가 광자의 형태로 빛을 발산함

* 전자가 잃는 에너지가 많을수록 생성되는 빛의 주파수가 높아짐, 즉 파장이 짧아짐

* $f=\frac{c}{\lambda}$

 

- LED 색상

 

LED는 갈륨 비소 GaAS, 갈륨 비소 인화물 GaAsP, 갈륨 인화물 GaP 와 같은 반도체 화합물로 만들어짐

이때 각각 다른 LED 화합물은 가시 광선 스펙트럼의 특정 영역에서 빛을 방출하므로 다른 VF를 가짐

* VF란 LED의 정방향으로 전류를 흘릴 때, 애노드 · 캐소드 사이에 발생하는 전압으로 $V_F@20mA$란 전류가 20mA일때 전압을 말함

 

반도체 재료별 파장과 색상 그리고 순방향 전압 강하

 

발광 다이오드 제조에 사용되는 주요 불순물로는

p형 불순물 : 갈륨 Ga

n형 불순물 : 비소 As

 

이때 갈륨 Ga 단독으로는 적외선을 방출하기에 인 P을 추가하여 전체 파장이 680nm 미만으로 감소되어 적생색광을 만들어 사용함

 

- LED 전류- 전압 특성

 

일반적인 LED는 약 1.2~3.6V의 순방향 작동 전압이 필요함

순방향 전류 정격은 약 10~30mA이며 12~20mA가 가장 일반적임

* 정격 전류는 회로가 최대 부하에서 사용중인 전류의 값을 말함

 

순방향 작동 전압과 순방향 전류는 사용되는 반도체 재료에 따라 다름

전도가 시작되고 빛이 생성되는 지점은 표준 적색 LED의 경우 1.2V, 파란색 LED의 경우 3.6V 정도임

 

 

정확한 전압 강하는 사용되는 불순물 재료와 파장에 따라 다름

 

LED는 전원 공급 장치를 통해 순방향 바이어스 상태로 연결되는데, 과도한 전류 흐름으로부터 보호하기 위해 직렬 저항을 사용해 전류를 제한함

* 이때 대부분의 LED는 직렬 저항을 가진 저전압 DC 공급기로 작동함

 

- LED 수명에 영향을 미치는 요소

 

LED 수명에 영향을 미치는 요소로는 온도, LED 구동 레벨, 전원 공급 장치, 환경 등이 있음

 

온도 : LED에서 최대 수명을 확보하는 데 있어 가장 중요한 문제는 온도를 낮추는 것으로 과도한 온도는 수명을 상당히 단축시킴

 

LED 구동 레벨 : 최상의 LED 수명을 얻으려면 LED가 정격 내에서 제대로 구동되어야 함, LED를 과도하게 구동하면 수명이 매우 단축되지만 광 출력은 증가함

 

전원 공급 장치 : 전원 공급 장치는 최적의 LED 수명을 위해 발광 다이오드와 일치해야 함, 전압이 조정되어야 할 뿐만 아니라 LED가 정격을 벗어나거나 최대 정격에 너무 근접하지 않도록 전류를 면밀히 제어해야 함

 

환경 : 진동 및 온도 극한과 같은 일반적인 조건은 작동하지 않더라도 다이오드에 기계적 응력을 가해 LED 수명을 단축시킴, 이상적으로는 안정된 건조한 환경에서 LED를 작동시켜야 함

 

2. LED의 응용

 

- LED 직렬 저항

 

LED의 필요한 순방향 전류 $I_F$, 조합 전체의 공급 전압 $V_S$ 및 LED의 필요한 전류 레벨에서의 예상 순방향 전압 강하 $V_F$의 정보를 가지고 간단히 옴의 법칙을 사용하여 계산될 수 있음

 

 

예시) 

순방향 전압 강하가 2V인 황색 LED는 5.0V 안정화 DC 전원 공급 장치에 연결되어 있음

순방향 전류를 10mA 미만으로 제한하는 데 필요한 직렬 저항 값은?

$R_S=\frac{V_S-V_F}{I_F}=\frac{5V-2V}{10mA}=\frac{3}{10 \times 10^{-3}}=300Ω$

 

- LED의 직렬 연결

 

디스플레이에 사용될 때 필요한 수를 늘리거나 조명 수준을 높이기 위해 LED를 직렬로 연결할 수 있음

직렬로 연결된 모든 LED가 동일한 전류를 통과하므로 일반적으로 모두 동일한 색상 또는 유형인 것이 좋음

LED 계열 체인에는 흐르는 전류가 동일하지만 전류 제한 저항 $R_S$의 필요한 저항을 계산할 때 직렬 전압 강하를 고려해야 함

 

 

예시)

순방향 전압강하가 1.2V인 LED 3개가 5V DC 전원 공급장치에 연결되어 있고, 10mA의 순방향 전류를 공급할 때 $R_S$ 및 저항 값의 전압 강하는?

$V_LED=3 \times 1.2V=3.6V$

$R_S=\frac{V_S-V_{LED}}{I_F}=\frac{1.4V}{10mA}=140Ω$

 

- LED 드라이버 회로

 

LED 드라이버 회로란 LED를 ON / OFF 로 전환하여 제어하는 회로임

 

 

 

# IC 드라이버 회로

TTL 및 CMOS 로직 게이트의 출력 스테이지는 유용한 양의 전류를 소싱 및 싱크할 수 있으므로 LED 구동에 사용됨

* 로직 게이트는 일정한 규칙에 의해 통로를 열고 닫아주는 역할을 함

일반 집적 회로는 싱크 모드 구성에서 최대 50mA의 출력 구동 전류를 갖지만 소스 모드 구성에서 내부적으로 제한된 출력 전류는 약 30mA임

 

# 트랜지스터 드라이버 회로

대형 LED어레이에서와 같이 하나 이상의 LED가 동시에 구동되어야 하는 경우, 집적 회로의 부하 전류가 높은 경우, IC 이산소자를 사용하려는 경우 바이폴라 NPN 또는 PN 트랜지스터를 스위치로 사용함

 

- LED 조명 조절

 

LED 조명을 조절하기 위해 더 많은 전류가 LED를 통해 흐르도록하면 더 밝아질 순 있지만 많은 열이 방출됨

전류를 5mA 이하로 줄이면 광 출력이 너무 어두어 지거나 LED가 완전히 OFF될 수 있음

 

LED 밝기 제어에는 펄스 폭 변조 PWM 제어 프로세스를 사용함

* PWM, Pulse Width Modulation는 일정한 주기의 디지털 신호의 출력이 HIGH인 시간과 LOW인 시간의 비율을 조정해서 아날로그 효과를 내는 방법
* 일종의 증폭장치로 생각하면 됨

 

필요한 광 강도에 따라 다양한 주파수에서 LED가 반복적으로 ON / OFF 됨

더 높은 광 출력이 필요한 경우, 듀티 사이클이 상당히 짧은 PWM을 사용하면 LED의 안전한 평균 범위 내에서 "평균 전류 레벨" 및 전력 손실을 계속 유지하면서 실제 펄스 동안 다이오드 전류 및 출력 광 강도를 크게 높일 수 있음

* 듀티 사이클이란 신호의 한 주기(period)에서 신호가 켜져있는 시간의 비율을 백분율로 나타낸 수치를 말함

 

 

ON 과 OFF 광 펄스 사이의 틈을 채우고 펄스 주파수가 충분히 높으면 연속적인 광 출력처럼 보이게 됨

100Hz 이상의 주파수에서 펄스는 실제 동일한 평균 강도의 연속 광보다 눈에 더 밝게 보임