[2015 11월 13일] 2016학년도 수능(A형) - (기술) ‘애벌랜치 광다이오드’

[구렛나루]

[19～21] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

광통신은 빛을 이용하기 때문에 정보의 전달은 매우 빠를 수 있지만, 광통신 케이블의 길이가 증가함에 따라 빛의 세기 가 감소하기 때문에 원거리 통신의 경우 수신되는 광신호는 매우 약해질 수 있다. 빛은 광자의 흐름이므로 빛의 세기가 약하다는 것은 단위 시간당 수신기에 도달하는 광자의 수가 적다는 뜻이다. 따라서 광통신에서는 적어진 수의 광자를 검출하는 장치가 필수적이며, 약한 광신호를 측정이 가능한 크기의 전기 신호로 변환해 주는 반도체 소자로서 애벌랜치 광다이오드가 널리 사용되고 있다.

애벌랜치 광다이오드는 크게 흡수층, ㉠애벌랜치 영역, 전극으로 구성되어 있다. 흡수층에 충분한 에너지를 가진 광자가 입사되면 전자(-)와 양공(+) 쌍이 생성될 수 있다. 이때 입사되는 광자 수 대비 생성되는 전자-양공 쌍의 개수를 양자 효율이라 부른다. 소자의 특성과 입사광의 파장에 따라 결정되는 양자 효율은 애벌랜치 광다이오드의 성능에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나이다.

흡수층에서 생성된 전자와 양공은 각각 양의 전극과 음의 전극으로 이동하며, 이 과정에서 전자는 애벌랜치 영역을 지나게 된다. 이곳에는 소자의 전극에 걸린 역방향 전압으로 인해 강한 전기장이 존재하는데, 이 전기장은 역방향 전압이 클수록 커진다. 이 영역에서 전자는 강한 전기장 때문에 급격히 가속 되어 큰 속도를 갖게 된다. 이후 충분한 속도를 얻게 된 전자는 애벌랜치 영역의 반도체 물질을 구성하는 원자들과 충돌하여 속도가 줄어들며 새로운 전자-양공 쌍을 만드는데, 이 현상을 충돌 이온화라 부른다. 새롭게 생성된 전자와 기존의 전자가 같은 원리로 전극에 도달할 때까지 애벌랜치 영역에서 다시 가속되어 충돌 이온화를 반복적으로 일으킨다. 그 결과 전자의 수가 크게 늘어나는 것을 ‘애벌랜치 증배’라고 부르며 전자의 수가 늘어나는 정도, 즉 애벌랜치 영역으로 유입된 전자당 전극으로 방출되는 전자의 수를 증배 계수라고 한다. 증배 계수는 애벌랜치 영역의 전기장의 크기가 클수록, 작동 온도가 낮을수록 커진다. 전류의 크기는 단위 시간당 흐르는 전자의 수에 비례한다. 이러한 일련의 과정을 거쳐 광신호의 세기는 전류의 크기로 변환된다.

한편 애벌랜치 광다이오드는 흡수층과 애벌랜치 영역을 구성하는 반도체 물질에 따라 검출이 가능한 빛의 파장 대역이 다르다. 예를 들어 실리콘은 300～1,100 nm*, 저마늄은 800～ 1,600 nm 파장 대역의 빛을 검출하는 것이 가능하다. 현재 다양한 사용자의 요구와 필요를 만족시키기 위해 여러 종류의 애벌랜치 광다이오드가 제작되어 사용되고 있다.

* nm : 나노미터. 10억 분의 1미터.

19. 윗글의 내용과 일치하는 것은?

① 애벌랜치 광다이오드는 전기 신호를 광신호로 변환해 준다.

② 애벌랜치 광다이오드의 흡수층에서 전자-양공 쌍이 발생하려면 광자가 입사되어야 한다.

③ 입사된 광자의 수가 크게 늘어나는 과정은 애벌랜치 광다이오드의 작동에 필수적이다.

④ 저마늄을 사용하여 만든 애벌랜치 광다이오드는 100 nm 파장의 빛을 검출할 때 사용 가능하다.

⑤ 애벌랜치 광다이오드의 흡수층에서 생성된 양공은 애벌랜치 영역을 통과하여 양의 전극으로 이동한다.

20. ㉠에 대한 이해로 적절하지 않은 것은?

① ㉠에서 전자는 역방향 전압의 작용으로 속도가 증가한다.

② ㉠에 형성된 강한 전기장은 충돌 이온화가 일어나는 데 필수적이다.

③ ㉠에 유입된 전자가 생성하는 전자-양공 쌍의 수는 양자 효율을 결정한다.

④ ㉠에서 충돌 이온화가 많이 일어날수록 전극에서 측정되는 전류가 증가한다.

⑤ 흡수층에서 ㉠으로 들어오는 전자의 수가 늘어나면 충돌 이 온화의 발생 횟수가 증가한다.

21. 윗글을 바탕으로 <보기>의 ‘본 실험’ 결과를 예측한 것으로 적절하지 않은 것은? [3점]

◦ 예비 실험 : 일정한 세기를 가지는 800 nm 파장의 빛을 길이가 1 m인 광통신 케이블의 한쪽 끝에 입사시키고, 다른 쪽 끝에 실리콘으로 만든 애벌랜치 광다이오드를 설치하여 전류를 측정하였다. 이때 100 nA의 전류가 측정되었고 증배 계수는 40이었다. 작동 온도는 0℃, 역방향 전압은 110 V였다. 제품 설명서에 따르면 750～1,000 nm 파장 대역에서는 파장이 커짐에 따라 양자 효율이 작아진다.

◦ 본 실험 : 동일한 애벌랜치 광다이오드를 가지고 작동 조건을 하나씩 달리하며 성능을 시험한다. 이때 나머지 작동 조건은 예비 실험과 동일하게 유지한다.

① 역방향 전압을 100 V로 바꾼다면 증배 계수는 40보다 작아지겠군.

② 역방향 전압을 120 V로 바꾼다면 더 약한 빛을 검출하는 데 유리하겠군.

③ 작동 온도를 20℃로 바꾼다면 단위 시간당 전극으로 방출되는 전자의 수가 늘어나겠군.

④ 광통신 케이블의 길이를 100 m로 바꾼다면, 측정되는 전류 는 100 nA보다 작아지겠군.

⑤ 동일한 세기를 가지는 900 nm 파장의 빛이 입사된다면 측정 되는 전류는 100 nA보다 작아지겠군.

19. ②   20.  ③  21. ③

[19-21] 기술, ‘애벌랜치 광다이오드’

지문해설 : 이 글은 광통신에서 사용하는 ‘애벌랜치 광다이오드’에 대해 설명하고 있다. 빛을 이용하여 정보를 전달하는 광통신은 케이블의 길이가 증가함에 따라 빛의 세기가 감소하기 때문에 약한 광신호를 측정 가능한 크기의 전기 신호로 변환해 주어 야 하는데, 이때 사용되는 반도체 소자가 애벌랜치 광다이오드이다. 애벌랜치 광다이오드는 크게 흡수층, 애벌랜치 영역, 전극으로 구성된다. 흡수층은 충분한 에너지를 가진 광자가 입사되면 전자(-)와 양공(+) 쌍이 생성되는 곳이다. 흡수층에 입사되는 광자 수 대비 생성되는 전자-양공 쌍의 개수를 ‘양자 효율’이라 하는데, 양자 효율은 소자의 특성과 입사광의 파장에 따라 결정된다. 흡수층에서 형성되는 전자와 양공은 각각 양의 전극과 음의 전극으로 이동하는데 이 과정에서 전자는 애벌랜치 영역을 지 나게 된다. 이 영역에서 전자가 강한 전기장에 의해 급속히 가속되어 충분한 속도를 얻게 되면 애벌랜치 영역의 반도체 물질을 구성하는 원자들과 충돌하여 새로운 전자- 양공 쌍을 만들게 되는데 이를 ‘충돌 이온화’라 부른다. 충돌 이온화는 새롭게 생성된 전자와 기존의 전자가 전극에 도달할 때까지 반복적으로 일어나게 된다. 애벌랜치 영역으로 유입된 전자당 전극으로 방출되는 전자의 수를 ‘증배 계수’라고 하는데 증배계수는 애벌랜치 영역의 전기장의 크기가 클수록, 작동 온도가 낮을수록 커진다. 한편 애벌랜치 광다이오드는 흡수층과 애벌랜치 영역을 구성하는 반도체 물질에 따라 검출 이 가능한 빛의 파장 대역이 다르다.

[주제] 애벌랜치 광다이오드의 작동 과정

19. 세부 정보, 핵심 정보 파악

정답해설 : 2문단에 따르면 흡수층에 충분한 에너지를 가진 광자가 입사되면 전자-양 공 쌍이 생성될 수 있다. 따라서 애벌랜치 광다이오드의 흡수층에서 전자-양공 쌍이 발생하려면 광자가 입사되어야 한다. 정답 ②

[오답피하기] ① 1문단에 따르면 애벌랜치 광다이오드는 약한 광신호를 측정 가능한 크기의 전기 신호로 변환해 주는 장치이다. ③ 3문단에 따르면 입사된 광자가 전극에 도달할 때 전자의 수가 크게 늘어나는 것은 애벌랜치 광다이오드의 작동 결과라고 할 수 있다. 그리고 애벌랜치 광다이오드가 작동하려면 전극에 걸린 역방향 전압에 의해 형성되는 강한 전기장이 필요하다. ④ 4문단에 따르면 저마늄을 사용하여 만든 애벌 랜치 광다이오드는 800~1,600nm 파장 대역의 빛을 검출하는 것이 가능하다. ⑤ 3문단에 따르면 흡수층에서 생성된 양공은 음의 전극으로 이동한다. 애벌랜치 영역을 통 과하여 양의 전극으로 이동하는 것은 전자이다.

20. 세부 내용 추론

정답해설 : 2문단에 따르면 흡수층에 입사되는 광자 수 대비 생성되는 전자-양공 쌍 의 개수인 ‘양자 효율’은 소자의 특성과 입사광의 파장에 따라 결정된다. 정답 ③

[오답피하기] ① ㉠에서 전자는 역방향 전압의 작용으로 인해 형성되는 강한 전기장에 의해 급속히 가속되어 큰 속도를 갖게 된다. ② 충돌 이온화는 전기장에 의해 충분히 가속되어 큰 속도를 갖게 된 전자가 애벌랜치 영역의 반도체 물질을 구성하는 원자들 과 충돌하면서 일어나게 된다. 따라서 강한 전기장은 충돌 이온화가 일어나는 데 필 수적이다. ④ 애벌랜치 영역에서 충돌 이온화가 반복되면서 전자의 수가 늘어남으로써 애벌랜치 증배가 이루어진다. 이때 전류의 크기는 단위 시간당 흐르는 전자의 수 에 비례한다. 따라서 충돌 이온화가 많이 일어날수록 전극에서 측정되는 전류가 증가 한다. ⑤ 충돌 이온화는 큰 속도를 갖게 된 전자가 애벌랜치 영역의 반도체 물질을 구성하는 원자들과 충돌하면서 새로운 전자-양공 쌍을 만든다. 이때 새롭게 생성된 전자와 기존의 전자가 같은 원리로 충돌 이온화를 반복적으로 일으키게 된다. 따라서 애벌랜치 영역으로 들어오는 전자의 수가 늘어나면 충돌 이온화의 발생 횟수가 증가 한다.

21. 결론 추론

정답해설 : 3문단에 따르면 애벌랜치 영역으로 유입된 전자당 전극으로 방출되는 전자의 수를 ‘증배 계수’라고 한다. 그런데 증배 계수는 애벌랜치 영역의 전기장의 크기가 클수록, 작동 온도가 낮을수록 커진다. 따라서 예비 실험에서의 애벌랜치 광다이오드의 작동 온도 0℃를 본 실험에서 20℃로 높이면 증배 계수가 감소해 단위 시간당 전극으로 방출되는 전자의 수가 줄어들게 된다. 정답 ③

[오답피하기] ① 전기장은 역방향 전압이 클수록 커지고, 증배 계수는 전기장의 크기가 클수록 커진다. 따라서 예비 실험에서의 전압 110V를 본 실험에서 100V로 낮추면 증 배 계수는 예비 실험에서의 40보다 작아진다. ② 본 실험에서 역방향 전압을 120V로 높이면 예비 실험에서보다 증배 계수가 늘어나 전극으로 방출되는 전자의 수가 증가하게 된다. 그렇게 되면 광신호의 세기가 커지므로 예비 실험에서보다 더 약한 빛을 검출하는 데 유리하다. ④ 광통신 케이블의 길이가 증가하면 빛의 세기가 감소해 수신되는 광신호는 매우 약해진다. 따라서 예비 실험에서의 광통신 케이블 1m를 본 실험에 서 100m로 늘리면 측정되는 광신호, 즉 전류는 예비 실험에서의 100nA보다 작아진 다. ⑤ 예비 실험을 수행할 때 제공된 제품 설명서에 따르면 750~1,000nm 파장 대역 에서는 파장이 커짐에 따라 양자 효율이 작아진다고 하였다. 따라서 예비 실험에서의 800nm 파장의 빛을 본 실험에서 900nm 파장의 빛으로 바꾸면 양자 효율이 작아져 본 실험에서는 예비 실험에서의 전류 100nA보다 작아진다.