Chapter 8.

1. Chapter 8. Optoelectronic Devices (광전자소자)

2. 8.1 광다이오드 • 반도체 시료는 광학적 생성률에 비례하는 전도도의 변화를 줌으로써 광전도체(photoconductor)로 사용 가능. • 광학적 또는 고에너지 방사 검출기의 응답속도와 감도를 개선하기 위하여 접합형 소자를 사용하여 광자 흡수에 응답하도록 설계된 단일 접합형 광다이오드 소자(photo diode) • EHP의 광학적 생성에 대한 p-n접합의 응답에 대한 광다이오드 검출기(photo detector) 구조 • 흡수된 광에너지를 유용한 전력으로 바꾸어 주는 태양전지(solar cell) Chap. 8. Optoelectronic Devices

3. 8.1.1 조사된 접합에서의 전류와 전압 • 광 전류 (photo current) • 공핍영역 W내에서 생성된 캐리어들은 접합 전계에 의해 분리되어, 전자는 n형 영역에서 정공은 p형 영역에서 집속 • 접합 양쪽의 확산거리 내에서 열적으로 생성된 소수캐리어들은 공핍영역으로 확산되어, 전계에 의해 다른 쪽으로 쓸려가게 됨 • 접합에 의해 광학적으로 생성된 이들 캐리어의 집속으로 인해 생긴 전류(Iop) A : 단면적, W : 공핍영역 폭 gop: carrier 생성률 Lp: n형 쪽 전이영역의 정공 확산거리 Ln: p형 쪽 전이영역의 전자 확산거리 • 열적으로 생성된 전류를 Ith라 하면, 광학적 생성을 더하여 광조사에 따른 총 역방향 전류를 구할 수 있음. Chap. 8. Optoelectronic Devices

4. Fig. 8-1 p-n 접합에서의 광학적 캐리어 생성: (a) 소자에 의한 빛의 흡수; (b) n 형 접합의 확산거리 내에서의 EHP 생성으로부터 생기는 전류 Iop; (c) 조사된 접합의 I-V 특성 p n 8.1.1 조사된 접합에서의 전류와 전압 Chap. 8. Optoelectronic Devices

5. 8.1.1 조사된 접합에서의 전류와 전압 • 소자의 양단을 개방시켰을 때의 전압 • 대칭적 접합의 특수한 경우 (pn =np , τp = τn), W내에서의 재결합을 무시하면, gop≫gth인 경우 • gth = pn/τn은 평형(equilibrium) 상태에서의 열적 생성-재결합률을 나타냄. • 소수캐리어농도가 EHP의 광학적 생성으로써 증가함에 따라, 수명 τn 은 짧아지고 pn/τn은 커짐. • Voc에 대한 한계는 평형상태에서의 접촉전위차 V0. • 광기전력효과(photovoltaic effect) • 조사된 접합을 가로질러서 순방향 전압이 나타나는 현상 Chap. 8. Optoelectronic Devices

6. Fig. 8-2 접합의 개방회로 전압에 주는 빛 조사의 영향: (a) 평형상태에서의 접합; (b) 빛 조사 시의 전압 Voc의 출현 (역방향 바이어스) (제1사분면) (제3사분면) (제4사분면) 8.1.1 조사된 접합에서의 전류와 전압 Fig. 8-3 I-V 특성 곡선의 여러 사분면에서의 빛이 조사된 접합의 동작: (a)와 (b)에서 전력은 외부회로에 의해 이 소자로 공급된다; (c)에서는 이 소자가 부하에 전력을 공급한다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

7. 태양전지의 구조 8.1.2 태양전지 화성탐사로봇 패스파인더 태양전지 패널 Chap. 8. Optoelectronic Devices

8. 8.1.2 태양전지 • 플렉서블 유기태양전지의 응용분야 • 지난 2년여 동안 신규 재료의 개발과 함께 최근 8% 안팎의 에너지 변환 효율을 보여주고 있으며 2015년 안에 10%대의 소자가 구현될 수 있다는 예측이 지배적이다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

9. (무반사 코팅) (금속 접촉부) 8.1.2 태양전지 • 태양전지의 설계 • 얻을 수 있는 광학적 에너지의 최대량을 이용하기 위해서는 소자의 표면 가까이 큰 면적의 접합을 갖는 태양전지를 설계할 필요가 있다. • 이 평면형 접합은 확산이나 이온주입으로써 형성시키며, 표면에는 반사를 감소시키고 표면재결합을 적게 하기 위해 적당한 물질을 도포한다. Fig. 8-5 태양전지의 구성: (a) 평면 접합의 확대도; (b) “손가락” 모양의 금속접촉부를 보여주는 평면도 Chap. 8. Optoelectronic Devices

10. 8.1.2 태양전지 • 채움지수(fill factor) • ImVm/IscVoc Fig. 8-6 빛이 조사된 태양전지의 I-V특성. 최대전력 직사각형이 빗금 그어져 있다. • 지상에서의 태양전지 응용 • 태양전지의 응용은 외기권에 한정되는 것은 아님. • 태양의 세기가 대기에 의해 감소된다고 하더라도, 지상에서 태양전지를 사용하는 응용에서는 태양으로부터 유용하게 전력을 얻을 수 있음. • 비용 절감과 크기의 축소 • 현재 화석연료로 전력을 생산하는 데는 KWh당 불과 3센트밖에 들지 않지만, 비정질 Si 태양전지의 경우는 이의 약 10배가 들고 투자 회수에는 약 4년이 걸림. • 효율 향상을 위한 연구 필요. Chap. 8. Optoelectronic Devices

11. 태양전지에 대하여 • Basic principle of solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

12. 태양전지에 대하여 • LED vs Photovoltaic • Light-emitting diode (LED) • Converts electrical input to light output: electron in → photon out • Light source with long life, low power, compact design. • Applications: traffic and pp car lights, large displays, solid-state lighting. • Photovoltaic (PV) • Converts light input to electrical output: photon in → electron out • (generated electrons are “swept away” by E field of p-n junction). • Renewable energy source. Chap. 8. Optoelectronic Devices

13. 태양전지에 대하여 • Energy Band of p-n Junction Solar Cell Dark Flux & 0 V Short Circuit Current (Jsc) Maximum Power Point (Pmax) Open Circuit Voltage (Voc) Chap. 8. Optoelectronic Devices

14. 태양전지에 대하여 • The photodiode is usually operated in reverse bias mode. • J-V Curve Chap. 8. Optoelectronic Devices

15. 태양전지에 대하여 • Equivalent circuit • Equivalent circuit of a "real" solar cell showing both a shunt and series resistive loss. • The series resistance, Rs, is a series loss due primarily to the ohmic loss in the surface of the solar cell. • The shunt resistance, Rsh, is used to model leakage currents. • A shunt resistance of a few hundred ohms does not reduce the output power of the solar cell appreciably. • A series resistance of only 5 Ω can reduce output power by 30%. Chap. 8. Optoelectronic Devices

16. 태양전지에 대하여 • Short circuit current (Jsc) & open circuit voltage (Voc) The short circuit current is found by setting V = 0 The open circuit voltage is found by setting J = 0 by using the fact that JSC = Jgen, for JSC≫ Jsat Chap. 8. Optoelectronic Devices

17. 태양전지에 대하여 • Fill factor (FF) • neglecting the effects of Rsh and Rs (Rsh=∞, Rs=0) • The fill factor (FF), is thus defined as (VmJm)/(VocJsc), where Jm and Vm represent the current density and voltage at the maximum power point, this point being obtained by varying the resistance in the circuit until JxV is at its greatest value. • The ratio (given as percent) of the actual maximum obtainable power, (Vmp x Jmp) to the theoretical (not actually obtainable) power, (Jsc x Voc) • FF is a key parameter in evaluating the performance of solar cells. Chap. 8. Optoelectronic Devices

18. 태양전지에 대하여 • Quantum efficiency • IPCE (Incident Photon to electron Conversion Efficiency) • EQE (External Quantum Efficiency) • Short circuit 상태에서 전체 photon이 electron으로 변환되는 효율 • IQE (Internal Quantum Efficiency) • Short circuit 상태에서 흡수된 photon이 electron으로 변환되는 효율 • PCE (Power Conversion Efficiency) or ECE (Energy Conversion Efficiency) • Maximum FF Chap. 8. Optoelectronic Devices

19. 태양전지에 대하여 Chap. 8. Optoelectronic Devices

20. 태양전지에 대하여 • Solar radiation • Power reaching earth: 1.37 kW/m2 Chap. 8. Optoelectronic Devices

21. 태양전지에 대하여 • Air mass coefficient • Air mass (AM) coefficient characterizes the solar spectrum after the solar radiation has travelled through the atmosphere. • AM1.5 is almost universal when characterizing power-generating panels. Ozone, water, nitrogen, oxygen, carbon dioxide, … absorb certain wavelength. solar radiation ~ black body radiator at 5,800 K earth At the earth surface, the spectrum is strongly confined between the far infrared and near ultraviolet. Chap. 8. Optoelectronic Devices

22. 태양전지에 대하여 • AM coefficient earth • l0 : thickness of the atmosphere • l : path length through the atmosphere for solar radiation incident at angle θ • AM0: the spectrum outside the atmosphere (5800 K black body) • AM1: the spectrum to sea level with the sun directly overhead (θ ~ 0o) • AM1.5 : almost universally used to characterize terrestrial solar panels (θ ~ 48.19o) Chap. 8. Optoelectronic Devices

23. 태양전지에 대하여 • Third-generation photovoltaics • 1st generation - c-Si solar cells • 2nd generation - thin film solar cells • 3rd generation - high efficient, low cost, ecofriendly solar cells (DSSC, organic and nano solar cells) Chap. 8. Optoelectronic Devices

24. 태양전지에 대하여 • Crystalline Si solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

25. 태양전지에 대하여 • PERL Si solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

26. 태양전지에 대하여 • Rear contact Si solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

27. 태양전지에 대하여 • Edge-defined film-fed growth Chap. 8. Optoelectronic Devices

28. 태양전지에 대하여 • a-Si:H/c-Si HIT Si solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

29. 태양전지에 대하여 • Thin film solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

30. 태양전지에 대하여 • a-Si thinfilm solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

31. 태양전지에 대하여 • Compound semiconductor thin film solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

32. 태양전지에 대하여 • High-efficiency: Tandem structures Chap. 8. Optoelectronic Devices

33. 태양전지에 대하여 • Low-cost process: Roll-to-Roll CIGS thin film solar cell Chap. 8. Optoelectronic Devices

34. 태양전지에 대하여 • DSSC ( Dye-Sensitized Solar Cell ) • 햇빛을 받으면 전자를 방출하는 특정 염료와 전해질을 이용해 전기를 만듦. • 염료감응 전지를 구성하는 물질: • 태양광 흡수용 고분자(염료분자) • 넓은 밴드갭을 갖는 반도체 산화물 (N형 반도체 역할,TiO2) • 전해질 (P형 반도체 역할) • 촉매용 상대전극 (양극 / 백금, 탄소 나노 튜브 등) • 태양광 투과용 투명전극(음극) Chap. 8. Optoelectronic Devices

35. 태양전지에 대하여 • DSSC ( Dye-Sensitized Solar Cell ) • DSSC 염료가 갖추어야 할 조건염료감응 전지를 구성하는 물질: • 가시광선 전 영역의 빛을 흡수 • 나노 산화물 표면과 견고한 화학결합 • 열 및 광화학적 안정성 • 염료의 LUMO가 나노산화물의 전도대 E보다 높아야 함 • 현재 가장 효율이 좋은 염료 분자 • 루테늄계 유기금속화합물 Chap. 8. Optoelectronic Devices

36. 태양전지에 대하여 • DSSC ( Dye-Sensitized Solar Cell ) • DSSC – 동작원리 • 태양 빛(가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-정공 쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도대로 주입 • 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노 입자간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생 • 염료분자에 생성된 홀은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지 작동 과정이 완성 Chap. 8. Optoelectronic Devices

37. 태양전지에 대하여 • DSSC ( Dye-Sensitized Solar Cell ) • DSSC 작동 메커니즘 • D + light →D* • D2*+ TiO2→e-(TiO2) + D+: 전자주입 • e-(TiO2) + C.E. →TiO2+ e-(C.E.) + 전기에너지 • D++ 3/2 I-→D + ½I3- • ½I3-+ e-(C.E.) →3/2 I-+ C.E. • D: 염료(dye)분자 • C.E.: 상대전극(counter electrode) Chap. 8. Optoelectronic Devices

38. 태양전지에 대하여 • DSSC ( Dye-Sensitized Solar Cell ) • DSSC의 단점 • DSSC의 최고 변환효율 : 약 11% ( 실험적 ), 약 8% ( 상용화 ) • 대면적화 시 효율 감소 • 120도 이상 고온에서 효율이 급격 하락 • ( ∵ 유기물질을 사용하는 경우 빛과 열에 불안정 ) • DSSC의 장점 • 저가의 제조 설비 및 공정 기술 → 발전 단가를 실리콘계의 1/5까지 가능 • 플렉서블, 투명, 다양한 색상 구현이 가능 → 다양한 응용성이 기대됨 • 투명 제작으로 2~3장을 겹치는 다중 제작이 가능 • →같은 면적에서 효율을 2~3배 늘릴 수 있는 특징 • 빛의 조사각도가 10o로 좁아도 전기 생산이 가능 →흐린 날씨 작동 가능 Chap. 8. Optoelectronic Devices

39. 태양전지에 대하여 • DSSC 제조과정 Chap. 8. Optoelectronic Devices

40. 태양전지에 대하여 • Organic& hybrid solar cells Chap. 8. Optoelectronic Devices

41. 태양전지에 대하여 • Polymer-Fullerene solar cells • TiOx layer connects the front cell and the back cell. • Power conversion efficiency was 6% at illuminations of 200 mW/cm2. Chap. 8. Optoelectronic Devices

42. 8.1.3 광검출기 • 광다이오드의 동작 • 광다이오드를 다음의사분면에서 동작시킬 때, 그 전류는 본질적으로 전압에는 무관하나 광학적 생성률에는 비례함. • 광학적 검출의 응용에서는 검출기의 응답속도가 결정적임. • 예를 들어 광다이오드가 1ns 떨어져 있는 광펄스(light pulse)에 감응한다면, 광학적으로 생성된 소수캐리어는 1ns보다 훨씬 적은 시간에 접합으로 확산하고 반대쪽으로 넘어서 쓸려가야 함. • 공핍영역의 폭 W는 충분히 커서 대부분의 광자가 중성인 p와 n형 영역에서보다는 W내에서 흡수되는 것이 바람직함. • 캐리어가 주로 공핍층 W내에서 생성될 때 공핍층형 광다이오드(depletion layer photodiode)라 함. Chap. 8. Optoelectronic Devices

43. 8.1.3 광검출기 • p-i-n 광검출기(p-i-n photodetector) • 공핍영역의 폭을 제어하는 편리한 방법 중 하나 • “i” 영역은 저항률이 높기만 하면 참된 진성 반도체일 필요는 없음. • 이것은 n형 기판 위에 에피택셜 방식을 성장시킬 수 있으며, p 형 영역은 확산으로써 만들 수 있다. Fig. 8-7 p-i-n 광다이오드의 개요도 • 이 소자에 역방향으로 바이어스를 가해주면 인가전압은 전부 i 영역을 가로질러서 나타난다. • i 영역 내의 캐리어 수명이 표동시간에 비하여 길다면, 광학적으로 생성된 캐리어의 대부분은 n 및 p 영역에 모아질 것이다. • 광검출기를 평가하는 중요한 지수 중 하나는, 검출기에 입사되는 광자 하나당 생성되는 캐리어의 수로 표현되는 외부양자효율이다. Jop : 광전류밀도 Pop : 입사된 광전력 Chap. 8. Optoelectronic Devices

44. 8.1.3 광검출기 • 애벌랜치 광다이오드(Avalanche Photodiode; APD) • 빠른 속도와 내부 이득(internal gain) 때문에 광섬유 통신시스템에서 유용 Fig. 8-8 광다이오드 동작을 향상시키기 위해 사용한 다층 이종접합(multilayer heterojunction):(a) 좁은 간극 물질에서 넓은 간극 물질을 통과한 1.55μm 근처의 빛을 흡수하는 애벌랜치 광다이오드: 정공은 애벌랜치 증식이 일어나는 InAlAs 접합 쪽으로 쓸려간다. i 영역은 저농도로 도핑되어 있다.(b) 광전류, 암전류, 이득은 애번랜치 증식 때문에 바이어스의 함수로 증가한다.(c) SACM APD 등에서 볼 수 있는 전형적인 이득-대역폭 특성 Chap. 8. Optoelectronic Devices

45. 8.1.4 광검출기에서의 이득, 대역폭 및 신호 대 잡음비 • 광통신시스템에서는 광검출기의 감도와 응답시간(대역폭)이 특히 중요 • 이득을 키우려고 설계하면 대역폭이 작아지고 그 반대도 성립함. • 이득-대역폭 곱(gain-bandwidth product)을 광검출기에서 특성지수로 쓰는 경우가 많음. • 검출기에서 중요한 또 하나는 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio) • 검출기에서 사용할 수 있는 정보의 양과 배경잡음의 비 • 잡음전류는 온도와 물질의 암전도도에 따라 증가 • 광검출기의 비교 • p-i-n 다이오드 : 광전도기에 비하여 암전류가 적고 암저항은 훨씬 큼. • 애벌랜치 광다이오드 : 애벌랜치 증식효과로 광이득의 장점이 있지만, 잡음이 p-i-n에 비하여 증가하는 단점이 있음. • 광전도기 : 여러가지 잡음원의 영향. • 잡음등가전력(noise-equivalent-power; NEP)으로 정량화 • 광검출기의 검출도(detectivity) : D =1/NEP Chap. 8. Optoelectronic Devices

46. 8.1.4 광검출기에서의 이득, 대역폭 및 신호 대 잡음비 • NEP는 광전도기의 대역폭과 면적에도 관계 • 특이성 검출도(specific detectivity) D*는 단위면적과 1Hz의 대역폭을 갖는 광검출기에 대하여 정의 • 대역폭 요구조건 내에서 가장 큰 D*를 갖는 광검출기가 유리 • 광도파로(waveguide) 구조 : 높은 감도와 대역폭을 동시에 성취 • 빛은 전류의 수송방향과 수직방향으로 광다이오드에 입사 Fig. 8-9 광도파로형 광다이오드. 광자는 협 에너지대역 InGaAs 영역 A에서 강하게 흡수되고 캐리어는 영역 M에서 애벌랜치 과정에 의하여 증식된다. 전하영역 C는 A와 M 사이의 전계 분포를 최적화시키기 위한 것이다. Chap. 8. Optoelectronic Devices

47. V = 0 V < 0 V > 0 p-type p-type p-type n-type n-type n-type Ec Eg hν Ev 8.2 발광다이오드 • 캐리어가 순방향으로 바이어스된 접합을 가로질러서 주입될 때, 그 전류는 보통 전이영역에서와 접합 부근의 중성영역에서는 재결합에 의한 것으로 간주. • Si나 Ge와 같은 간접형 재결합 반도체 : 격자에 열을 방출. • 직접적인 재결합 반도체 : 순방향으로 바이어스된 접합으로부터 상당한 빛이 방출. • 주입형 전계발광이라 하는 이 효과는 광발생소자로서의 다이오드의 중요한 응용을 이룸 Chap. 8. Optoelectronic Devices

48. 8.2 발광다이오드 • 반도체 레이저(semiconductor laser) • 순방향으로 바이어스된 p-n 접합에서의 발광재결합을 이용 • LED보다 훨씬 좁은 파장대역에서 간섭성이 있고 방향성이 큰 빛을 방출 • 광섬유 통신시스템에서 유용 • LED의 파장과 광효율 • 파장(또는 주파수) • 외부광자효율(external quantum efficiency) • LED가 평탄형 표면을 갖고 있다면, 반도체-외부 계면에 도달한 광자 중 임계각보다 큰 각도를 갖는 광자는 전반사되어 궁극적으로는 반도체 내에서 흡수에 의해 소멸됨. • 이 때문에 전형적인 LED는 돔 모양으로 캡슐화하여 외부광효율을 증대 Chap. 8. Optoelectronic Devices

49. 8.2 발광다이오드 Fig. 8-10 LED 조명 강도(luminous intensity)의 시간적 향상 Chap. 8. Optoelectronic Devices

50. 8.2.1 LED 재료 • 가시광선과적외선 파장을 내는 반도체 레이저와 LED를 요구하는 넓은 적용분야를 볼 때, 사용 가능한 많은 종류의 Ⅲ-Ⅴ 물질들은 대단히 유용. • AlGaAs와 GaAsP 시스템에 덧붙여, InAlGaP 시스템은 적색, 황색 및 오렌지색을, AlGaInN은 청색과 녹색을 강하게 냄. • 많은 응용에 있어서 LED의 발광이 사람 눈에 꼭 보일 필요가 있는 것은 아님. • GaAs, InP 및 이들 화합물의 혼합된 합금과 같은 적외선 방출체는 특히 광섬유 통신 시슽템이나 TV 리모콘에 잘 어울린다. Fig. 8-11 GaAs1-xPx에서 합금조성비의 함수로 주어진 전도대역 에너지 Chap. 8. Optoelectronic Devices