포토다이오드및포토트랜지스터, 광도전소자등
--------------------------------------------------------------------------------
5 광센서용포토다이오드의
기초지식
빛의 세계로!
빛은 전자파의 일부이며 전파와 같은 성질이다. 파장이 380n~780nm인 가시광, 그보다 파장이 짧은 자외선과 긴 적외선을 통합하여‘빛’이라 부르고 있다. 가시광은 보라색에서 빨간색까지 무지개 스펙트럼으로 친숙하다. 자외선보다 파장이 짧으면 X선 영역, 적외선보다 파장이 길면 원적외선, 나아가 전파의 영역이 된다.
빛의 특징을 결정하는 물리량은 파장과 강도이다. 빛을 포착할 수 있는 검출기는 입사광의 특징에 맞춘 것을 사용해야 한다.
일반적으로 자외광부터 가시광을 검출하는 데에는 Si 포토다이오드나 광전자 증배관이 사용되고, 적외선 검출에는InGaAsPIN 포토 다이오드 등이 사용된다.
그림 1에서는 빛의 파장과 주로 사용되는 수광소자를 나타낸다.
1. 빛의 강도와 명도
빛의 측정에는 빛의 강도를 측정하는‘방사측정’과 명도를 측정하는‘측광’의 2종류가 있다. 인간의 눈은 그림 2와 같은 시감도를 가진다. 횡축은 파장, 종축은 555nm의 빛에 대해 느끼는 명도를 1로 했을 경우의 상대값이다.
눈에 보이지 않는 빛은, 예를 들어 강도가 강해도 밝다고 느끼지 못하기 때문에‘방사측정’에서는 어떤 강도가 관측되어도‘측광’에서는 거의 관측되지 않는 결과가 된다. 일반적으로는 어떤 방사량의 분광밀도 Xe(λ)와 측광량 Xv[lm]와의 관계식 (1)과 같이 된다.
· · · · · · · · · · · · (1)
여기서, Km:측광량과 방사량을 결부하는 상수, Xe:파장당 입사 에너지[W]
Km은 683lm/W로 규정되어 있으며 V(λ)=1로 되는 파장의 555nm에서 측광량과 방사량을 결부하는 상수이다.
방사량과 측광량에서는 단위도 구분하여 사용한다. 조도에 대해 방사측정에서는 W/m2를, 측광량에서는 lx(룩스)를 사용한다. 일반적으로 우리가 생활하고 있는 환경은 수lx에서 수천lx 사이에 있다.
또 빛은 입자로서의 성질도 갖고 있으며 그 에너지 E는 플랑크의 상수 h와 진동수 ν에서,
E=hν· · · · · · · · · · · · (2)
여기서, E:빛의 에너지[J], h:플랑크의 상수[J/sec](6.626×10-34), ν:매초 진동수(광속을 c라고 하면 ν=c/λ)로 나타내며 수광소자가 검출되는 파장범위를 결정하고 있다. 그림 1은 검출 가능한 파장과 센서의 종류이다.
포톤이란
빛이 파동성과 입자성을 갖고 있다는 사실은 잘 알려져 있다. 경우에 따라서는 빛을 파(波)로 다루는 쪽이 좋은 경우와 입자로 다루는 쪽이 좋은 경우로 나뉜다.
예를 들어 센서에 입사한 빛은 연속된 출력으로 나타난다. 즉, 실제 빛의 입사는 그림 A(a)라도 센서의 출력파형은 그림A(b)와 같이 나타난다. 이 빛을 미약하게 하여 초고속 광센서로 관찰하면 처음에는 끊어짐이 없이 나타나던 센서의 출력신호가 점차 직류에서 먼, 그림 A(c)와 같은 불규칙적인 펄스열로 된다. 이 펄스 하나 하나가 비연속적으로 센서에 포착되던 빛의 입자라 할 수 있다. 이러한 빛의 입자성을 강조하여 빛의 입자를 포톤(광자)이라 부르기도 한다.
광반도체 센서의 내부에서도 같은 현상이 일어나고 있다. 일반적으로 포톤 1개에서 전하 1개와 부(-)의 전하 1개가 발생한다. 포토 다이오드는 이것을 전류로서 그대로 흘리지만 포토 트랜지스터나 광 도전형 소자에서는 이것을 증폭한 형태로 외부에 흘린다. 단, 전하 1개는 1.6×10-19C(쿨롱)이므로 내부 증배율이 작은 타입의 반도체 광센서에서는 포톤 하나 하나를 검출하기가 매우 어렵다. 통상적으로 1초 동안 104∼105개 이상인 포톤 그룹이 아니면 검지할 수 없다.
수광소자의 용도와 적재적소
수광소자는 검출하는 빛에 알맞은 특성의 것을 선택해야 한다. 표 1은 용도에 따른 수광소자의 적용 예이다. 예를 들어 카메라 노출계는 인간의 눈에 어느 정도의 밝기인가를 측정해야 하며 더욱이 어두운 상태에서 밝은 상태까지의 검출이 요구되고 있다.
또한 광통신인 경우에는 적외광 사용이 일반적이고 고속응답성도 요구된다. 여기서는 용도에 따른 포토 다이오드를 소개한다.
1. 정밀측광/분석기용 광검출기
측정용 검출기로서는 고감도이고 암전류가 작아야 한다.
(1) 자외광용
Si 포토 다이오드나 숏키형 GaAsP, GaP 포토 다이오드가적합하다. Si 포토 다이오드에서는 200nm의 자외광에서 0.1A/W인 고감도 소자(사진 1)도 있다. 그림 3은 그 분광감도 특성이다.
GaAsP(숏키형)나 GaP 포토 다이오드는 장파장 측의 감도파장 범위가 600~700nm 정도이기 때문에 그림 4와 같이 적외광의 감도를 억제할 수 있다.
(2) 가시광용
노출계나 조도계로는 가시광을 측정한다. 이 경우에도 일반적으로 Si나 GaAsP(확산형)의 포토 다이오드가 사용되고 있다.
용도에 따라서는 인간의 눈의 감도(시감도)에 맞출 필요가있으므로 필터를 내장하는 등 구조상의 연구가 실시되고 있다. 그림 5에 분광감도 특성을 나타낸다.
(3) 적외광용
1.5㎛ 파장 부근에서는 InGaAs, 5㎛ 정도까지의 파장에서는 InSb 등의 포토 다이오드가 있다. InSb 등 파장이 긴 적외선 검출소자에서는 열의 영향을 받기 쉬우므로 노이즈 저감을 위해 냉각기가 부착된 소자(사진 2)도 사용되고 있다. 그림 6에 이러한 분광감도 특성을 나타낸다.
그림 가운데의 D*(디 스타)는 비(比)검출능력을 나타내는 기호로, 광입력이 1W일 때의 교류적인 S/N을 나타낸다. 소자면적 1cm2, 잡음대역 1Hz로 규격화하고 있으며 단위는이다.
D*(A, B, C)와 같이 나타내며 A는 광원의 온도[K] 또는 파장[nm]을, B는 입사광을 ON/OFF하는 초핑 주파수[Hz]를, C는 잡음대역폭[Hz]을 의미한다.
포토 다이오드의 카탈로그에는 수광면 사이즈나 지정된 조도에서의 단락전류, 감도파장 범위, 암전류 크기, 응답속도등의 전기적 특성이 기재되어 있으므로 목적에 따라 수광소자를 선정한다.
2. 통신/정보기기용 광검출기
통신용으로 사용하는 소자에는 고속응답성이 요구된다. 고속응답을 실현하기 위해서는 역 바이어스를 추가하는 것이 효과적이다. 역 바이어스를 추가하면 단자간 용량이 내려가 캐리어의 공핍층 주행 속도가 빨라진다. 또 직선성의 상한을 개선할 수도 있다.
한편, 암전류가 역 바이어스와 함께 증가하므로 잡음이 증가한다는 단점도 있다.
PIN 포토 다이오드는 고속성이나 저 암전류 특성에 우수하여 광통신 등에 사용되고 있다. PIN 포토 다이오드의 카탈로그에는 차단주파수와 그것을 달성하기 위한 최적동작 전압이 기재되어 있다.
또 단자간 용량은 수광면적에 거의 비례하지만 단자간 용량이 커지면 응답이 늦어지기 때문에 입사하는 빛의 스폿에 대해 수광 지름이 필요 이상으로 큰 것은 피하도록 한다.
광센서용포토다이오드의.mht