광학반도체 - Photo Diode

포토다이오드는 광에너지를 전기 에너지로 변환하는 광센서의 일종이며 그 구성은 반도체의 PN 접합부에 광검출 기능을 추가한 것으로 다음과 같은 특징이 있습니다.
   
1. 플래너 구조이기때문에 diode특성이 좋고 부하를 걸었을때의 동작특성 이 우수하다
2. 저조도에서 고조도까지 광전류의 직선성이 양호하다
3. 소자간의 광출력의 편차가 동일조립상태에서 적다
4. 응답속도가 빠르다
5. 감도 파장이 넓다
 
  Photo diode의 구조

 

Photo diode의 동작원리
PN접합에서 P층과 N층의 접합부에는 전위장벽이 생깁니다. 
여기에 Eg보다 더 큰 에너지를 갖는 빛(E=hv)이 조사되면 전자는 전도대에 끌어올려지고 전자와 후에 남는 정공이 쌍이되어 형성됩니다. 

이렇게 형성된 전자와 정공쌍이 공핍층에서 형성 되었을 경우는 바로 전계에의해 가속되고 전자는 N층으로 정공은 P층으로 이동하게 됩니다. 
또 전자와 정공쌍이 P층과 N층에서 발생한 경우에는 P층의 전자와 N층의 정공은 확산하게 되는데, 공핍층에 이르게 되면 전계에 의해 더욱 가속되고 각각 P층, N층에 들어와 전하가 축적되게 됩니다. 
이 때 외부의 부하를 단자에 접속하면 빛에너지를 전기 에너지의 형태로 얻을 수 있습니다.
  Photo diode의 특성
V - I 특성
Photo Diode의 V - I 특성은 암(Dark)상태에서는 통상의 정류 Diode와 같습니다.
그러나 Photo Diode에 빛이 조사되면 빛의 세기에 따라 V - I 특성이 -쪽으로 이동하게 됩니다. 이때 단자간을 개방해두면 Voc의 전압이 생기고 단락하면 역방향으로 Isc의 전류가 입사광량에 비례해서 흐르게 됩니다. 
Isc는 1/1000 Lux ~1/10000 Lux의 범위에서 상당히 좋은직선성을 가지고 있습니다.
 
분광감도
광원( 태양광 , 형광등 , 텅스텐 전구 , LED , Laser광 등)은 각각 독자의 발광파장을 가지고 있습니다. 그러나 광전자 수광소자는 실리콘 기판으로 소자(CHIP)자체 로써는 가시광 영역부터 근적외선에 이르는 넓은 분광감도를 가지고 있기 때문에 대부분의 광원과의 조합이 가능합니다 . 
또한 사용목적에 따라 광학 필터를 붙인 Device도 있으며 가시광 영역만의 감도를 갖는 수광소자와 적외광만의 감도를 갖는 수광소자도 있습니다.
  포토 다이오드의 종류
포토 다이오드는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 수광소자의 일종이고, 주로 PIN-PD(PIN-Photodiode)와 APD (Avalanche Photodiode) 가 사용되고 있습니다.
 
PIN Photo diode
PIN Photo diode는 PN접합의 중간에 캐리어가 적어 저항이 큰 진성반도체의 층(1층)이 설치된 구조입니다. 사용시는 역 바이어스 전압을 걸어 i층은 캐리어의 공핍층으로 하고, 내부에 전기장을 만들어 두어야 합니다. 

P층쪽에는 창문이 설치되어 있고, 입사한 빛은 P층을 통과하여 1층으로 들어가고, 그 에너지를 흡수 하여 전기장에 따라 정공과 전자가 생깁니다. 이들 케리어는 전기장에 따라 음극과 양극을 향하여 이동하고 외부에 전류가 되어 방출됩니다. PIN구조는 단순한 PN접합보다 i층내의 높은 전기장에서 고속성이 얻어지는 특성을 가지고 있습니다.
APD
APD는 PN접합 중간에 사태(avalanche)층이 있고, 입사한 빛의 여기에 따라서 발생한 캐리어가 높은 전기장에 의해 사태층내에서 원자에 충돌하여 새롭게 홀과 전자의 쌍을 만들고, 그들이 또 새롭게 충돌을 일으키는 과정에서 avalanche(사태)효과를 일으켜 광전류가 증대되는 원리로 작동됩니다. 

증대율은 바이어스 전압이 큰 만큼 커지므로, PIN 포토 다이오드보다 높은 바이어스 전압(수십에서 200볼트정도)에서 사용되고 있습니다. APD는 증배에 수반하여 잡음도 많고, PIN 포토 다이오드보다 S/N비가 작지만 출력 전류가 크기 때문에 다음 단의 증폭기가 포함되면 S/N비는 개선 될 수 있습니다. 
따라서 고감도 수광을 목적으로 하는 장거리 통신의 경우는 통상 APD가 사용되지만, 광가 입자계, LAN 등의 중,단거리 통신에서는 특별한 전원을 필요로 하지않는 PIN-PD가 많이 사용되고 있습니다.
Photo transistor
Photo transistor는 포토다이오드의 PN접합을 베이스-이미터 접합에 이용한 트랜지스터입니다. 

PN접합 부분에 빛을 비추면 빛 에너지에 의해 생긴 정공과 전자가 외부 회로로 나가게 되는데, 입사광에 의해 전자와 정공이 생기면 역전류가 증가하여 입사광에 대응하는 출력전류를 얻을 수 있습니다. 포토 트랜지스터의 경우는 베이스 전극을 빛이 베이스 전류의 대용이기 때문에 전극을 끌어내지 않는 경우가 많습니다.
Photo Transistor의 일반구조는 NPN(또는 PNP)Transistor와 유사한 구조를 가지고 있지만 광전류를 크게 취하기 위하여 수광부인 Base Area를 크게 가지고 있습니다.
 
Photo Transistor의 동작 원리
Photo Transistor의 Base와 Collector는 Photo Diode와 같은 원리로 동작하며 입사된 광에 의하여 Base 단자를 (+) Bias됨으로써 트랜지스터의 기능을 수행합니다. (Ic=IL x hFE)
 
Base단자를 갖는 Photo Transistor의 동작특성
Photo Transistor중 Base 단자를 갖는 소자의 경우 온도에 의한 생성캐리어(컬렉터 입력전류)를 바이패스 시킴으로서 안정된 특성을 얻을 수 있으며 잉여 캐리어를 RB를 통해 방전시킴으로써 응답속도가 향상되는 특성을 가지고 있습니다.


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