4 PN 접합과 금속-반도체 접합-Part 2 IT CookBook, 현대 반도체 소자 공학.

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1 4 PN 접합과 금속-반도체 접합-Part 2 IT CookBook, 현대 반도체 소자 공학

2 Part 02 광전 소자에의 응용 part 2 : 광전 소자에의 응용 12. 태양전지 13. 발광 다이오드와 고체 조명
14. 다이오드 레이저 15. 광 다이오드

3 Section 12 태양전지 태양전지 기초 지구의 에너지 매장량은 한정되어 있으나, 세계적 에너지 소비는 날로 증가하고 있으므로, 적극적으로 에너지를 보존하지 않거나 태양전지와 같은 재생 가능 에너지 자원을 개발하지 않는 것은 무모한 일 [그림 4-24] 화석 연료 매장물의 고갈 및 연 3% 성장을 가정한 전 세계 에너지 소비의 최근 역사와 전망. ([3]에서 발췌. ⓒ 1992 IEEE.)

4 Section 12 태양전지 태양전지 기초 광기전성 전지(photovoltaic cell)라고도 하는 태양전지(solar cell)는 통상적으로 실리콘으로 만든 경우, 15~30%의 에너지 효율을 갖고 태양광을 전기로 변환 태양전지 패널은 전기를 생성시키기 위해 흔히 지붕 위나 훤히 트인 광장에 설치. 태양전지의 구조는 PN접합 다이오드와 동일하지만 빛이 반도체에 잘 부딪칠 수 있도록 손가락 모양의 전극 혹은 투명한 전극을 가짐. 빛이 없을 때 다이오드 전압은 다음 식의 전류를 생성함 빛은 또한 전압이 없이, 즉 두 다이오드 단자를 단락시켜 V = 0으로 한 경우에 다이오드 전류를 생산할 수 있는 가동력이 됨 PN 접합에 빛을 비출 때, 빛에 의해 접합으로부터 확산 거리(정도) 이내에 생성된 소수 캐리어들이 접합으로 확산하고, 내부 전계에 의해 접합을 가로질러 각각 양쪽으로 쓸려 나감으로써, P 단자 밖으로 흘러나가 외부 단락 회로를 통과하여 다시 N 단자로 들어가는 전류를 발생시킴 : 단락 회로 전류(short-circuit current), Isc.

5 Section 12 태양전지 태양전지 기초 단락 회로 전류 Isc는 빛의 세기와 전지 면적에 비례
총 다이오드(태양전지) 전류 = (전압에 의해 생성된 전류)+(빛에 의해 생성된 전류) 음의 부호는 Isc의 방향이 “가해준 전압이 생성한 전류의 방향”과 반대 의미 실리콘 태양전지는 약 0.6V를 생성 [그림 4-25] (a) V＝0일 때 빛이 PN 접합에서 전류를 생성할 수 있다. (b) 태양전지 IV 곱은 음수이고, 이는 전력을 생성한다는 것을 의미한다. ([4]에 따름)

6 Section 12 태양전지 태양전지 기초 에너지 변환 효율(energy conversion efficiency)은 태양 에너지 입력에 대한 전기 에너지 출력의 비율 IV 곡선 상에 출력 전력 |I×V|를 최대화하는 특정 동작점이 존재 낮은 가격과 높은 에너지 변환 효율이 중요 비정질 혹은 다결정 반도체는 단결정 반도체와 비교할 때, 제조 비용은 저렴하지만 변환 효율은 낮음 각 제곱미터 크기의 태양전지는 낮과 밤, 그리고 맑은 날/흐린 날에 걸쳐 평균적으로 약 25W의 연속 전력을 생산

7 Section 12 태양전지 빛 침투 깊이-직접 갭 반도체와 간접 갭 반도체 빛의 광자 에너지(eV)
Eg보다 작은 에너지를 갖는 광자는 반도체에 의해 흡수되지 않고, Eg보다 큰 에너지를 갖는 광자는 흡수되지만 그 중 일부 광자는 흡수되기 전에 반도체 내에서 적지 않은 거리를 여행할 수 있음 [그림 4-26] 빛의 세기(x)∝ α는 흡수 계수이고, 1/α는 빛의 침투 깊이 태양전지는 거의 모든 광자들을 포획하기 위해서 빛의 침투 깊이보다 충분히 큰 두께를 가져야만 함. Si 태양전지가 Eg 이상의 에너지를 갖는 대부분의 광자를 흡수하기 위해서 50μm보다 두꺼워야 하고, GaAs 태양전지는 광자 에너지가 Eg를 초과할 때 그것의 흡수 계수가 가파르게 상승하기 때문에 단지 1μm의 두께만이 필요함. Si와 Ge은 에너지 밴드 구조의 특성 때문에 낮은 흡수 계수를 가짐.

8 Section 12 태양전지 물질에 따른 빛 흡수 계수
[그림 4-26] 광자 에너지의 함수인 빛 흡수 계수. Si와 Ge은 간접 갭 반도체이다. InAs, GaAs, GaN은 직접 갭 반도체로 가파르게 상승하는 흡수 계수를 보여준다.

9 Section 12 태양전지 직접 갭 반도체와 간접 갭 반도체
전자는 에너지 E와 파동 벡터 k 를 가지며, k 는 전자 파동의 방향과 파장을 묘사함(k =2π/전자 파장). [그림 4-27(a)]의 E-k 관계는 GaAs 결정에 대하여 양자역학의 슈뢰딩거 방정식(식 (1.5.3) 참조)을 푼 해 직접 갭 반도체(direct-gap semiconductor) : 전도 대역의 바닥과 가전자 대역의 꼭대기가 동일한 k 값에서 발생. InP와 GaN도 동일 k 보존(운동량 보존과 등가)이 만족되어 광자는 가전자 대역의 전자를 전도 대역으로 효율적으로 움직일 수 있어 흡수 계수가 큼 [그림 4-27] (a) 직접 갭 반도체와 (b) 간접 갭 반도체의 E-k 다이어그램

10 Section 12 태양전지 직접 갭 반도체와 간접 갭 반도체 [그림 4-27(b)]는 Si과 Ge의 E-k 관계
간접 갭 반도체(indirect-gap semiconductor) : 전도 대역의 바닥과 가전자 대역의 꼭대기가 동일하지 않은 k 값에서 발생. k 보존을 만족시키기 위해 포논의 도움이 필요하기 때문에 빛 흡수가 효율적이지 못함. 모든 조건이 동일할 때 직접 갭 반도체가 태양전지 응용에 더 선호되는데, 그 이유는 직접 갭 반도체들은 매우 얇은 필름이면 충분하고 따라서 적은 양의 반도체 물질만을 필요로 하기 때문 : 단가 측면에서 긍정적인 의미 실제 실리콘은 비싸지 않기 때문에 지금까지 가장 널리 보급된 태양전지 재료. 그럼에도 불구하고 저가의 무기물 혹은 유기물 반도체(organic semiconductor)를 찾기 위한 심도 있는 연구가 계속되고 있음. LED와 다이오드 레이저를 만들기에 적합한 유일한 재료가 직접 갭 반도체

11 Section 12 태양전지 단락 회로 전류와 개방 회로 전압
만약 [그림 4-16]에서 빛이 반도체에 비쳐서 G 의 비율로 정공(및 전자)을 생성한다면, G·A·Δx + 결과적으로, 식 (4.7.5)는 [그림 4-16] (정상 상태에서, 초당 이 상자 속으로 흘러 들어 가는 정공 수는 초당 상자 밖으로 흘러나가는 정공 수와 초당 상자 속에서 재결합으로 손실되는 정공 수를 합한 양과 같다.

12 Section 12 태양전지 단락 회로 전류와 개방 회로 전압 의 균일한 비율로 N 영역에 전자-정공 쌍이 생성된다고 가정
단락 회로 조건(V = 0) 하에서, x = 0일 때 경계조건은 x = ∞에서 p'은 일정한 값에 도달해야 하고, 식 (4.12.4)의 좌변은 0이 되어 이 경계조건으로부터 식 (4.12.4)의 해는

13 Section 12 태양전지 단락 회로 전류 Isc와 개방 회로 전압 Voc
접합으로부터 먼 곳에서 생성된 캐리어들은 재결합으로 사라지고, 거리 Lp 이내, 즉 체적 A·Lp 내에서 생성된 정공만이 PN 접합에 의해 수집되고 단락 회로 전류에 기여 => 위 식은 균일한 빛의 흡수라는 가정하에서 유도되었지만, 소수 캐리어 확산 길이가 큰 것이 태양전지 전류에 좋다는 것은 항상 옳음 태양전지 재료는 큰 캐리어 확산 거리, 즉 긴 캐리어 재결합 시간을 가져야 함(특히 간접 갭 재료) =>

14 Section 12 태양전지 출력 전력 태양전지 IV 곡선 상에 출력 전력 |I×V|를 최대화시키는 동작점이 존재
출력 전력 = Isc×Voc×FF FF(충진 인자, fill factor)는 Isc×Voc에 대한 최대 |I×V| 값의 비율 FF는 대체로 약 0.75 정도 단락 회로 전류 Isc는 빛의 세기에 비례 Nd를 증가시키면 Voc를 증가시킬 수 있으므로 태양전지는 아주 높게 도핑되야 함. 캐리어 생성 비율 G가 크면 Voc에 유익. 태양전지에 태양 빛을 집중시키기 위해 광 집속기를 사용하여 G를 증가시킴. [그림 4-25]

15 Section 12 태양전지 출력 전력 태양전지의 효과적인 냉각은 전지 효율을 증가시킴
만약 전지가 뜨거워진다면, 은 증가하고 Voc는 떨어짐. 밴드 갭 에너지 Eg가 크면 을 지수함수적으로 감소시키고(식 (1.8.12)) Voc는 Eg에 따라 선형적으로 증가 만약 Eg가 너무 크다면, 재료는 태양 스펙트럼의 장파장(빨간색과 적외선) 영역의 넓은 범주에 속하는 광자들을 흡수하지 못하고 Isc는 떨어짐. 가장 좋은 태양전지 효율은(~24%) Eg 값이 1.2와 1.9eV 사이에 있을 때 얻어짐. 상용되고 있는 지붕형 실리콘 태양-전지 패널은 15~20%의 변환 효율을 가짐. 직렬식 태양전지(tandem solar cell)는 둘 혹은 그 이상의 반도체 재료를 사용함으로써 매우 높은(30% 이상) 에너지변환 효율을 달성. 한 재료는 큰 값의 Eg를 갖고 있어 태양 복사의 단파장 부분을 흡수하여 전기로 변환시키고, 이 첫 번째 재료의 뒤에 위치한 상대적으로 더 작은 Eg를 갖는 다른 재료는 첫 번째 재료에 의해 흡수되지 않은 태양 복사를 흡수하여 전기로 변환시킴.

16 Section 13 발광 다이오드와 고체 조명 LED 기본 구조
LED(light-emitting diode)가 교통 신호등, 지시등, 영상 광고판 등에 사용되고, 백열등보다 매우 높은 에너지 효율로 공간 조명에 활용 전자와 정공은 재결합하여 hv≈Eg 갖는 광자(빛)를 방사 반도체의 성분을 조절하여, Eg는 청색, 녹색, 노란색, 빨간색, 적외선, 그리고 UV LED가 가능하도록 변환됨. 그들은 In, Ga, Al, As, P, N을 포함하는 화합물 반도체로 만들어짐. 정 바이어스 시 주입된 소수 캐리어가 다수 캐리어들과 재결합할 때 광자가 방출되어 모든 방향으로 방사됨. 반도체와 공기의 경계면에서 (반도체 속으로 되돌려) 빛이 반사되는 것을 줄이기 위하여 반도체 표면에 무늬를 넣거나 혹은 돔 형태의 렌즈를 부착함. [그림 4-29] LED의 도식적인 그림. PN 접합에 주입된 전자와 정공들이 재결합할 때 광자가 생성된다.

17 Section 13 발광 다이오드와 고체 조명 LED 재료와 구조 (양자 효율)
GaN 같은 직접 갭 반도체는 Si 같은 간접 갭 반도체보다 LED 응용에 훨씬 더 적합 직접 갭 재료에서 전자와 정공들은 정합된 파동 벡터를 갖고(4.12.2절 참조) 쉽게 재결합할 수 있음. [그림 4-27]에서 만약 화살표 방향이 반대로 된다면, 이 그림은 전자와 정공이 재결합할 때 광자가 어떻게 생성되는지를 설명해줌. 방사 재결합(radiative recombination)이라 불리는 이러한 광자 생성 과정은 직접 갭 반도체에서 나노초(ns)의 수명을 갖고 빠르게 진행됨. 따라서 방사 재결합 과정은 지배적인 재결합 과정이 되고 주입된 캐리어들이 높은 백분율로 광자를 생성함. 이 백분율을 양자 효율(quantum efficiency)이라고 함. 간접 갭 반도체에서는 방사 재결합이 밀리초(ms)의 수명으로 느리게 발생하기 때문에 광자생성의 양자 효율이 매우 낮음. 그 결과, 광자보다는 포논을 생성하는 트랩-경유-결합 과정이([그림 2-13] 참조) 빠르고 우세한 재결합 과정이 됨.

18 Section 13 발광 다이오드와 고체 조명 LED 재료와 구조 (밴드 갭 에너지)
InP와 GaAs 같은 적외선 영역의 밴드 갭 재료들로 광통신용 LED 제작 가시 광 영역에서, GaP는 노란색 빛에 해당하는 밴드 갭 에너지를 가지며, GaP와 GaAs를 섞는 비율을 변화시켜, 즉 GaAs1-xPx를 사용하여 노란색(x≈1), 오렌지색, 빨간색, 그리고 적외선(x≈0) LED를 제작. [표 4-1] 광전-소자 재료

19 Section 13 발광 다이오드와 고체 조명 LED 재료와 구조 (기판 재료)
GaAs와 GaP는 두 가지 화학 원소로 만들어지므로 2원소 반도체(binary semiconductor). 세 원소를 포함하는 GaAs1-xPx는 3원소 반도체(ternary semiconductor). 모두 화합물 반도체(compound semiconductor)라 함. 고효율 LED는 얇은 반도체 필름을 이 필름과 결정 격자상수가 가깝게 정합된 기판 웨이퍼 위에 에피 층으로 길러(3.7.3절 참조) 제작함. 양질의 InP, GaAs, GaP, Al2O3 웨이퍼를 적정한 가격으로 구입할 수 있음 노란색LED를 생산하기 위해 GaAs 기판 위에 GaP 필름을 성장시켜 사용. 불행하게도, GaP는 GaAs 기판과 동일한 격자 상수를 갖지 않아 GaP 에피 층 필름에 결정 결함들을 만들고 LED 효율과 신뢰성이 떨어짐. GaP는 GaAs 기판의 격자 상수와 정합된 격자 상수를 얻기 위해서 InP와 섞어 사용할 수 있으나 그 혼합물은 원하는 가시 광 방출을 얻기에는 너무 낮은 Eg를 가짐. 다행스럽게도, 만약 GaP, InP, AlP를 섞는 비율을 변화시켜 가면 Eg와 격자 상수를 모두 독립적으로 조정할 수 있음. AlInGaP 같은 네 가지 화학 원소를 포함하는 것은 4원소 반도체(quaternary semiconductor)

20 Section 13 발광 다이오드와 고체 조명 LED 재료와 구조
GaAs 기판을 GaP 기판으로 대치하는 것은 빨간색과 노란색 LED의 효율을 향상시키는데, 이는 GaAs가 이 파장들의 빛을 흡수하지만 GaP는 투명하기 때문 기판 위에 에피 층으로 GaN을 기른 사파이어(Al2O3) 기판은 그것이 UV 빛에 투명하기 때문에 파란색과 UV LED 제작용도로 우수한 기판이 됨 재료를 잘 선택하면, LED는 1에 가까운 내부 양자효율을 가질 수 있음 [표 4-2] 여러 상용 LED

21 Section 13 발광 다이오드와 고체 조명 빛 추출 효율을 높인 LED와 양자 우물 구조
옆 면에서는 전반사가 일어나고, GaP 기판은 빨간색 빛에 투명 에너지 웰(well) 혹은 양자 웰(quantum well) : AlInGaP 필름은 GaP보다 작은 밴드 갭이므로, 양쪽에 GaP를 둔 경우 그 사이에 양자 웰 형성. 이 웰 내에서 전자와 정공의 농도가 모두 높은데, 이는 재결합 및 빛의 방출이라는 관점에서 매우 바람직한 조건. 종종 다중 양자 웰 사용. [그림 4-30] (a) 더 나은 광 추출을 위해 경사진 측면들을 가진 빨간색 LED, (b) 양자 웰을 보여주는 에너지 밴드 다이어그램

22 Section 13 발광 다이오드와 고체 조명 유기 발광 다이오드(OLED)
LED의 다른 종류로 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED)가 있음 어떤 유기 화합물은 반도체 특성을 가지며 PN 접합 다이오드, LED, 그리고 트랜지스터를 만들 수 있음 유기물 분자를 수정하든지 혹은 짧은 파장의 빛에 의해 여기된 후 더 긴 파장의 빛을 방출하는 인광성 재료를 첨가하든지 하면 여러 가지 색깔을 얻을 수 있음 유리 기판 위에 제작된 한가지 혹은 여러 가지 색깔을 갖는 OLED 디스플레이는 자동차 계기판 디스플레이 같은 몇몇 응용분야에서 LCD 디스플레이와 경쟁을 하고 있음

23 Section 13 발광 다이오드와 고체 조명 고체 조명 (solid-state lighting)
고체 조명 : 진공 혹은 가스를 포함하고 있는 백열전구나 형광등 같은 전통적인 광원 대신 LED를 사용해서 공간 조명을 하는 것 전 세계 전기 사용량의 약25%가 조명에 의한 것(만약 등에 의해 발생된 열 때문에 생긴 에어컨 부하를 포함한다면 그 이상임) 빛의 에너지 효율을 향상시키면 에너지 소비와 온실 가스 방출을 현저하게 줄일 수 있음 루멘(lumen, lm)은 (여러 다른 파장에서 인간 눈의 민감도에 규격화된) 가시 광 에너지의 척도 100W 백열전구는 약 1,700lm을 생성하고, 전구의 광속 효력(luminous efficacy)은17 lm/W가 됨 [표 4-3] lm/W로 표시된 등의 광속 효력

24 Section 13 발광 다이오드와 고체 조명 고체 조명 (solid-state lighting)
백색광은 빨간색, 녹색, 파란색 LED를 한 램프 하우징 내에 조립하여 얻을 수 있음. 경제적인 면에서 볼 때 적합한 대안은 UV LED와 함께 UV 빛을 빨간색, 녹색, 파란색, 즉 백색광으로 변환시켜주는 형광체를 사용하는 것. 효율적인 UV LED는 사파이어 기판 위에 AlInGaN/InGaN/AlInGaN 양자 웰을 성장시켜 제조. 빛은 UV에 투명한 사파이어 기판으로부터 추출됨. 백열등에 비해 10배까지 높은 효력을 백색 LED로 얻을 수 있음. 이때 기술적으로 극복해야 하는 문제는 기판, 에피 필름 성장, 패키징 등의 비용을 포함하여 단가를 낮추는 것. 단가를 절감하는 한 가지 방법은 OLED를 사용하는 것. 유기물 반도체는 폴리머(polymer)이며, 적은 비용으로 큰 판의 유리나 구부리기 쉬운 기판에도 프린트될 수 있음. 서로 다른 폴리머는 서로 다른 색의 빛을 생성하고, 여러 층의 서로 다른 재료를 사용하거나 혹은 형광 도펀트를 첨가함으로써 백색광을 생성시킬 수 있음. 그러나 OLED는 나이트라이드 기반이나 알루미나이드 기반의 LED보다 효력이 낮음. 고체 조명을 위해서는 높은 효력과 낮은 단가가 모두 충족되어야 함. 백색 LED는 LCD 디스플레이 내의 배경 조명원으로도 사용

25 Section 14 다이오드 레이저 레이저 레이저(laser)는 가스에서부터 유리에 이르기까지 많은 재료들로 만들 수 있고, 에너지를 레이저에 공급하기 위해서는 가스 내에서 전기 방전을 일으키거나 섬광 등에서 나오는 강한 빛을 주사하거나 하는 다양한 방법이 사용됨 다이오드 전류에 의해 전력이 공급되는 다이오드 레이저(diode laser)는 가장 작고 저렴한 레이저. 이 레이저의 기본 구조는 정 바이어스 상태에 있는 PN 접합 구조. 광통신에서부터 DVD와 CD-ROM 리더에 이르기까지 많은 응용 분야에서 다이오드 레이저는 눈부신 활약 이러한 눈부신 활용은 레이저 빛이 가지는 다음 특성 중의 어느 한 가지 혹은 두 가지 특성 모두의 이점을 이용하는 것 이 중 하나는 단일 주파수특성 다른 하나는 작은 점 크기로 초점이 모아지는 특성 LED와 마찬가지로 다이오드레이저는 효율적인 광 방출을 얻기 위해서 직접 갭 반도체를 사용함

26 Section 14 다이오드 레이저 광 증폭 레이저 동작은 광 증폭(light amplification)을 필요로 함
(a) 태양-전지에서처럼 광자가 전자-정공 쌍을 생성 (b) 전자가 전도 대역으로부터 가전자 대역으로 떨어질 때, LED 동작에서처럼 광자가 랜덤 방향으로 방출(자발적 방출, spontaneous emission). (c) 입사한 광자가 전도 대역의 전자를 자극하여 이 전자가 가전자 대역으로 떨어지면서 두 번째 광자를 방출(유도 방출, stimulated emission). [그림 4-31] (a)~(c) 광과 전자의 상호작용에 대한 세 형태, (d) 보통, 빛이 반도체에 흡수된다, (e) 점유 반전 상태에서 빛(파동 크기)은 반도체에서 증폭된다.

27 Section 14 다이오드 레이저 광 증폭 유도 방출은 레이저 동작의 기초 : 전기적 신호 파형이 증폭될 수 있는 것과 꼭 같이 유도 방출에서 입사광 파동의 세기가 증폭됨. 증폭된 광 파형은 입사한 광과 비교할 때 주파수와 진행 방향에 있어서는 동일하지만 크기는 더 큼. 이 특성 때문에 레이저 광은 파장의 순도가 매우 높고 방향성이 매우 우수한 특성을 가짐. 만약 [그림 4-31(d)]에서 보는 바와 같이 낮은 에너지 상태에서 전자가 점유할 확률이 더 크다면(1.7절의 페르미 함수에 의하면 통상적인 경우에 해당), 유도 방출보다 흡수의 비율이 더 높고 빛은 반도체에 의해 흡수됨 만약 [그림 4-31(e)]와 같이 높은 에너지 상태에서 전자가 점유할 확률이 더 크다면, 즉 점유 반전(population inversion)이라 불리는 조건이 된다면 빛은 증폭됨. 점유 반전은 레이저 동작을 위해 필요한 조건.

28 Section 14 다이오드 레이저 광 증폭 점유 반전은 의 경우에 달성
점유 반전은 의 경우에 달성 양자 웰이 PN 접합 내 혹은 그 근처에 삽입되면 더 쉽게 점유 반전 달성 좁은 양자 웰은 작은 체적이므로 점유 반전을 달성하기 위한 과잉 캐리어의 농도가 상대적으로 더 낮아 높은 비율로 캐리어를 주입해줄 필요가 없어, 레이징(lasing)을 위한“문턱 전류(threshold current)”가 작음 [그림 4-32] (a) 다이오드 구조를 통과하여 지나가는 빛의 도식적 그림, (b)와 (d) 만약 다이오드가 평형상태에 존재한다면 빛이 흡수된다. EF 아래의 에너지 상태는 기본적으로 전자로 채워져 있고, EF 위의 에너지 상태는 비어 있다. (c)와 (e) 점유 반전 하에서, 빛은 유도 방출에 의해 증폭된다. 화살표는 빛에 의해 야기된 전자의 천이를 가리킨다.

29 Section 14 다이오드 레이저 광 피드백 광 발진기인 레이저를 만들기 위해서는 광 증폭과 광 피드백이 쌍으로 필요
좁은 광 피드백을 제공하는 간단한 한 가지 방법은 레이저 다이오드의 끝 면을 PN 접합에 수직이 되도록 쪼개거나(벽개) 연마하는 것([그림 4- 33(a)] 참조) [그림 4-33] (a) 벽개된 거울 면을 갖는 간단한 측면 방사 다이오드 레이저, (b) 빨간색 빛 VCSEL의 복잡한 구조. 좌측 반은 반도체의 여러 층에 대한 에너지 밴드 다이어그램을 보여준다. 에너지 축은 보통의 y축이 아니라 x축이다. ([6]에서 발췌)

30 Section 14 다이오드 레이저 광 피드백 발진기의 조건(순 왕복 이득이 1 이상) : R1ⅹR2ⅹG≥1
종종 다이오드 레이저는 보강 간섭을 일으키도록 그리고 특정 파장에 대하여 반사경 역할을 하도록, 적절한 두께로 두 개의 서로 다른 반도체를 번갈아 가며 일련의 층을 만들어 사용. 그 일련의 층은 분산된 브래그 반사경(distributed Bragg reflector, DBR)을 형성하고 분산된 피드백(distributed feedback)을 제공 DBR의 장점 : (1) 향상된 파장 순도 - 일련의 층이 갖고 있는 주기의 두 배에 해당하는 파장의 빛만이 DBR에서 반사, (2) 평면 공정 기술(거울 연마와 벽개는 아님)과의 호환성으로 한 웨이퍼 기판 상에서 수천 개의 레이저 생산. [그림 4-33(b)] 구조는 수직-공동 표면-방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)

31 Section 14 다이오드 레이저 다이오드 레이저 응용
빨간색 다이오드 레이저는 CD와 DVD 리더에 사용 - 플라스틱 디스크에 도드라진 형태로 새겨져 있는 데이터를 읽어내기 위해 작은 점에 레이저 빔의 초점을 맞춤 청색 다이오드 레이저 빔은 파장이 더 짧기 때문에 더 작은 점으로 초점이 맞춰짐 - 청색 다이오드 레이저는 고밀도 혹은 청색광(Blu-ray) DVD 리더에 사용 기록 가능한 광 저장매체(writable optical storage)에서는 레이저광을 집속시켜 박막을 녹여 광 반사율을 변화시킴으로써 나중에 판독이 가능 현재 매우 중요하게 활용되고 있는 광섬유 통신(fiber-optic communication) 시스템에 다이오드 레이저가 사용 광섬유(optical fiber)는 빛에 엄청나게 투명한 가늘게(~20μm) 녹여 뽑은 구부리기 쉬운 석영 섬유. 광섬유의 투명도는 1.55μm 파장에서 최대

32 Section 14 다이오드 레이저 다이오드 레이저 응용
레이저 다이오드 전류를 변조시키면 특정 파장의 레이저 광 펄스들이 생성되고, 이 광 펄스는 흡수와 산란으로 인해 그 세기가 절반으로 줄어들 때까지 섬유를 통하여 10km 이상을 진행. 매 일정 거리마다 광 증폭을 하게 되면, 광섬유를 사용하여 도시 간 그리고 국가 간에 데이터를 전송할 수 있음. 대륙들을 연결하기 위해 대양 바닥을 종횡으로 움직이는 수십만 km의 광섬유가 존재. 1.55μm 파장의 적외선 다이오드 레이저는 InP 기판 위에 InGaAsP 재료를 사용해서 제작. 단거리 통신 링크 용도로 InGaAsP LED가 사용([표 4-2]). 유리 섬유에서 서로 다른 파장의 빛은 각기 다른 속도로 전파. LED는 많은 서로 다른 파장의 빛을 방출하는데,이들은 각기 다른 전파 시간이 지난 뒤 동일 목적지에 도착. 결과적으로, 시작 지점에서는 짧았던 LED 펄스가 도착 지점에서는 길고 넓은 펄스가 되기 때문에, 파장 순도가 지극히 높은 레이저가 장거리의 고속 데이터 통신 링크용 광원으로 선택됨.

33 Section 15 광 다이오드 PD와 APD 광 다이오드(photodiode) : [그림 4-25]는 빛이 조명될 때 다이오드를 통하여 역방향 전류가 흐르고 그 전류는 빛의 세기에 비례한다는 것을 보여줌. 따라서 역 바이어스된 PN 다이오드는 빛을 검출하는 데 사용될 수 있고, 이런 소자가 광 다이오드. 애벌런치 광 다이오드(avalanche photodiode) : 만약 광 다이오드가 애벌런치 항복 전압근처로 바이어스되면, 광이 생성한 캐리어들은 공핍층을 통과하여 여행하는 동안 충돌 이온화에 의해 증폭되고([그림 4- 13] 참조), 그것에 의해 검출기의 민감도는 증가됨 광 다이오드는 광통신, DVD 리더, 그리고 다른 광-탐지 응용 등에 사용 [그림 4-25] (a) V＝0일 때 빛이 PN 접합에서 전류를 생성할 수 있다. (b) 태양전지 IV 곱은 음수이고, 이는 전력을 생성한 다는 것을 의미한다. ([4]에 따름)

34 4장 PN 접합과 금속-반도체 접합-part2 끝
Thank You 4장 PN 접합과 금속-반도체 접합-part2 끝