광 발광과 전계발광

 반도체에서 전자-정공쌍이 생성되거나 또는 캐리어가 높은 불순물 준위로 여기된 후 평형 상태로 떨어지게 되면, 빛이 생성 될 수 있다. 많은 반도체들이 빛을 방출하기에 매우 적절하며, 직접형 대역간극(direct band gap)을 갖는 화합물 반도체의 경우는 특히 그러하다. 빛을 방출하는 일반적인 성질을 발광(luminescence)이라 한다. 이 총체적인 부류는 그들의 여기구조에 따라 세분할 수 있다. 즉, 캐리어가 광자 흡수에 의해 여기되면 이 여기된 캐리어의 재결합으로 인하여 생기는 복사를 광발광(photoluminescence)이라 하고, 여기 된 캐리어가 그 물질로의 고에너지 전자충돌로서 생기면 이 기구를 음극선 발광(cathodoluminescence, 또는 전자선 발광)이라 하며, 여기가 시료로의 전류의 도입으로 발생되는 발광을 전계발광(electroluminescence)이라 한다. 기타 여기 방식도 가능하다. 이상의 세 가지가 전자소자의 응용에 있어서 가장 중요하다.

 광발광

 반도체로부터의 광방출의 가장 간단한 예는 EHP의 직접적인 여기와 재결합으로써 생기는 것이다. 이 재결합이 결정의 결합 준위를 경유하기보다는 직접적으로 일어나면, 에너지 대역간극에 대응하는 빛이 이 발광과정으로 복사 된다. 정상상태의 여기에서는 EHP의 재결합이 그의 생성과 같은 비율로 일어나며, 각각의 광자의 흡수에 대하여 한 광자가 방출 된다. 직접형 재결합은 빠른 과정으로 EHP의 평균 수명은 보통 10^-8s 급 또는 그 이하 정도이다. 따라서 여기가 끝난 후 약 10^-8s 이내에 광자의 방출은 정지된다. 이와 같은 빠른 발광과정은 흔히 형광(fluorescence)이라 한다. 그러나 일부 물질에서는 여기가 없어진 후에도 수 초 또는 수 분에 이르는 동안 방출이 계속되는데, 이 느린 과정을 인광(phosphorescence)이라 하고 이 물질을 형광체(phosphors)라 한다. 이 물질은 에너지 대역간극에 결정결함준위(다분히 불순물에 의한 것)를 포함하고 있으며, 이 준위는 전도대역으로부터 일시적으로 전자를 포획하려는 경향이 있다. 전자가 재결합하기 전에 여러 차례 다시 포획한다면 더욱 긴 지연시간까지도 생길 수 있다. 이 포획의 확률이 재결합의 확률보다 크면, 전자는 최종적으로 재결합이 생기기 전에 포획과 전도대역 사이를 여러 차례 오고 갈 것이다. 이와 같은 물질에서는 인광의 빛의 복사가 여기가 끝난 후에도 비교적 긴 시간 동안 지속된다.

 ZnS와 같은 인광체에서 방출되는 빛의 색깔은 주로 그곳에 있는 불순물에 따르는데 이것은 많은 복사성 전이(transition)가 에너지 대역간극 내에 있는 불순물 준위에 연관되어 있기 때문이다. 이와 같은 빛깔의 선택은 다음 절에서 논의하듯이 컬러 텔레비전의 스크린 제작에 있어서 특히 유용하다.

 광발광의 가장 보편적인 예는 형광등이다. 일반적으로 이와 같은 등은 가스(즉,아르곤과 수은의 혼합물)를 봉입한 유리관으로 되어 있는데, 이 유리관 내면에 형광성 도장이 되어 있다. 방전이 이 관 내의 전극 간에서 유기되면 가스의 여기된 원자는 대부분이 스펙트럼의 가시광선 및 자외선 영역에 있는 광자를 방출한다. 이 빛은 발광성 도장에 흡수되고 가시광선의 광자를 방출한다. 이왕 같은 등의 효율은 백열등보다 상당히 좋으며, 방출 되는 빛에서의 파장의 혼합은 형광물질의 적절한 선택으로써 조절할 수 있다. 

전계발광

 고체에서 광자의 방출이 생기게 하기 위하여 전기적 에너지를 쓸 수 있는 방법은 여러 가지가 있다. 발광 다이오드(LED)에서는 전류가 소수캐리어를 그들이 다수캐리어와 재결합할 수 있는 결정의 영역으로 주입되게 하는데, 이 결과로 재결합복사의 방출이 일어난다. 

 처음 관찰된 전계발광효과는 교번전계에서 일부 형광체가 광자를 방출하는것이었다. 이와 같은 소자에서는 ZnS와 같은 형광물질의 분말을 유전율이 큰 결착재료에 넣는다. 교류전계가 인가되면 이 형광체로부터 빛이 방출되는 것이다. 이 와 같은 셀은 그의 효율이 대부분의 응용에서는 너무나 낮고 또 신뢰성이 좋지 못하기는 하지만 발광판(lighting panel)으로 사용할 수 있다.