발광 다이오드 (LED)

p-n 접합에 순방향 전압을 걸면 $\mathrm{n}$쪽 전자와 $\mathrm{p}$쪽 정공이 접합으로 밀려와 만나서 재결합합니다. 이때 전도띠에 있던 전자가 원자가 띠의 빈자리로 떨어지므로 띠 간격 $E_g$만큼의 에너지가 남습니다. 보통의 다이오드에서는 이 에너지가 대부분 열로 흩어지지만, 재료를 잘 고르면 곧바로 광자 하나로 튀어나오게 만들 수 있습니다. 그것이 LED입니다.

$$E_g=hf=\frac{hc}{\lambda }$$

이 한 줄이 LED의 모든 것입니다. 광자 하나의 에너지가 띠 간격으로 정해지므로, 색은 재료가 결정합니다. 띠 간격이 큰 반도체를 쓰면 광자 에너지가 커서 파장이 짧은 파란빛이 나오고, 작으면 붉은빛이나 눈에 보이지 않는 적외선이 나옵니다. 리모컨의 적외선 LED도 똑같은 원리로, 띠 간격이 작은 재료를 썼을 뿐입니다.

빨강과 초록 LED가 먼저 나오고 파란 LED가 한참 뒤에야 나온 이유도 여기에 있습니다. 파란빛을 내려면 띠 간격이 큰 반도체를 결함 없이 만들어야 하는데 그것이 어려웠습니다. 질화 갈륨 계열 재료로 청색 LED가 실현되면서 빨강·초록·파랑이 갖춰졌고, 그제야 흰색 조명과 총천연색 화면이 가능해졌습니다.

LED가 백열전구보다 훨씬 효율적인 것도 원리에서 따라 나옵니다. 백열전구는 필라멘트를 뜨겁게 달궈 열복사로 빛을 내므로 넓은 연속 스펙트럼이 나오고, 그중 대부분은 눈에 보이지 않는 적외선으로 버려집니다. LED는 재결합 에너지를 원하는 파장의 광자로 직접 바꾸므로 낭비가 훨씬 적습니다.