광다이오드

광다이오드(photodiode, 포토다이오드)

광다이오드 확대

광다이오드(photodiode, 포토다이오드)란 광검출기같은 기능이 있는 반도체 다이오드이다. 광다이오드는 소자의 민감한 부분에 빛이 들어오도록 창이나 광섬유 연결 패키지가 있다. 또한 창없이 자외선이나 엑스선을 검출하는 데도 사용된다.

광트랜지스터는 접합형 트랜지스터과 구성이 같고 빛이 베이스-컬렉터 PN 접합에 도달할 수 있도록 투명한 케이스에 넣어져 있다. 광트랜지스터는 광다이오드처럼 동작하지만, 빛에 더 민감하다. 왜냐하면 베이스-컬렉터 접합의 광자에 의하여 생성된 전자는 베이스에 주입되고, 이 전류는 트랜지스터 동작에 의하여 증폭되기 때문이다. 그러나 광트랜지스터는 광다이오드보다 반응속도가 느리다.

개요

광다이오드 도면 기호

반도체 다이오드의 일종으로 포토다이오드라고도 하며, 빛에너지를 전기에너지로 변환한다. 포토다이오드는 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 광센서의 한 종류이다. 이것은 반도체의 PN 접합부에 광검출 기능을 추가한 것으로 그 회로기호는 왼쪽 그림과 같다.

빛이 다이오드에 닿으면 전자와 양의 전하 정공이 생겨서 전류가 흐르며, 전압의 크기는 빛의 강도에 거의 비례한다. 이처럼 광전 효과의 결과 반도체의 접합부에 전압이 나타나는 현상을 광기전력 효과라고 한다.

광다이오드는 응답속도가 빠르고, 감도 파장이 넓으며, 광전류의 직진성이 양호하다는 특징이 있다. 주로 CD 플레이어나 화재경보기, 텔레비전의 리모컨 수신부와 같은 전자제품 소자에 사용되며, 빛의 세기를 정확하게 측정하기 위하여 활용되기도 한다.

광다이오드에는 PIN 다이오드, APD 다이오드 등이 주로 사용되는데, PIN 포토 다이오드는 PN 접합의 중간에 캐리어가 적어 저항이 큰 진성반도체의 층이 설치된 구조이다. PIN 구조는 PN 접합보다 1층 내의 높은 전기장에서 고속성이 얻어지는 특성을 가진다.

APD는 PN접합 중간에 사태(avalanche)층이 있고, 입사한 빛의 여기에 따라서 발생한 캐리어가 높은 전기장에 의해 사태층 내에서 원자에 충돌하여 새롭게 홀과 전자의 쌍을 만들고, 그들이 또 새롭게 충돌을 일으키는 과정에서 사태효과를 일으킴으로써 광전류가 증대되는 원리를 이용한다. 따라서 APD는 장거리 통신에 주로 이용된다.

광다이오드는 발광다이오드(LED: light emitting diode)와 유사하게 생겼으나 반대의 기능을 한다. 광다이오드는 빛에너지를 전기에너지로 전환하지만, 발광다이오드는 전기에너지를 빛에너지로 전환한다. 회로기호 역시 유사한 모양이지만, 포토다이오드는 화살표가 안으로 들어오는 모양이고, 발광다이오드는 화살표가 밖으로 나가는 모양을 한다.

광다이오드는 포토트랜지스터(photo transistor)와 구성과 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 기능면에서 유사하다. 그러나 포토트랜지스터는 빛을 쪼였을 때 전류가 증폭되어 발생하기 때문에 포토다이오드에 비해 빛에 더 민감하고 반응속도는 느리다.

동작 원리

광다이오드는 PN 접합이나 PIN 구조로 되어있다. 충분한 광자 에너지의 빛이 다이오드를 타격하면 이동전자와 양의 전하 정공이 생겨서 전자가 활동한다. 만약 접합의 공핍층 (depletion region)에서 흡수작용을 하면, 이런 캐리어는 공핍층의 세워진 필드에 의하여 흘려보내어 광전류를 생성한다.

광다이오드는 0 바이어스 (광기전 방식)나 역 바이어스 (광전도 방식)에서 사용할 수 있다. 0 바이어스에서는 다이오드에 빛이 내려오면 소자를 교차하게 전개된 전압을 발생시키며, 순 바이어스 방향으로 전류를 흐르게 한다. 이것을 광기전력 효과라고 부르고, 태양 전지에 사용되는 바이어스이다. - 사실, 태양전지는 싸고 많은수의 거대한 광다이오드일 뿐이다.

다이오드는 역 바이어스가 걸릴때 일반적으로 매우 높은 전기저항을 지니고있다. 이 저항은 접합부에 특정한 주파수의 빛이 비치면 감소된다. 그래서 역 바이어스 다이오드는 전류가 통과하는지 감시하여 탐지기로 사용할 수 있다. 이 효과 기반의 회로는 광기전력 효과 기반의 회로보다 빛에 더 민감하다.

전자사태 광다이오드는 비슷한 구조를 지녔지만, 더 높은 역 바이어스로 동작한다. 각각의 광캐리어가 광다이오드 내부 이득의 결과로 발생된 전자사태 항복(avalanche breakdown)으로 증폭이 가능하며, 효과적으로 소자의 반응성을 향상시킨다.

재료

광다이오드를 만드는 데 사용되는 재료는 특징을 결정하는 데 중요하다. 왜냐하면 충분한 에너지가 있는 광자만이 중요한 광전류를 생성시키는 재료의 띠틈을 교차하여 전자를 활동시키기 때문이다.

상용화된 광다이오드에 일반적으로 사용되는 재료들:

재료	파장 범위 (nm)
규소	190–1100
저마늄	800–1700
인듐 갈륨 비소화물	800–2600
납 황화합물	<1000-3500

큰 띠틈 때문에 규소 기반의 광다이오드는 저마늄 기반의 광다이오드보다 낮은 잡음을 발생시키지만, 저마늄 광다이오드는 대략 1 µm보다 긴 파장에 항상 사용된다.

특징

광다이오드의 중요한 기능 변수들은 다음과 같다.

• 반응성: 급속한 빛세기로 생성된 광전류의 속도이다. 광전도 방식일 때는 일반적으로 A/W로 표시한다. 반응성은 양자 수량이나 급속한 광자로 생성된 광캐리어 수량의 속도로 표현되기 때문에 단위가 없다.
• 암전류: 암전류는 광전도 방식으로 동작할 때는 입력되는 빛 신호가 없어도 광다이오드를 지나간다. 암전류는 기본 반사능과 반도체 접합의 포화 전류에 의하여 생성된 광전류를 포함한다. 만약 광다이오드를 정확한 광학 세기 측정에 사용하려면 광전류는 반드시 교정해야 하며, 광다이오드가 광통신 시스템에 사용될 때는 잡음의 원인이 되기도 한다.
• 잡음등가력(noise-equivalent power): 광전류를 생성하기 위한 최소 입력 빛세기는 1 헤르츠 대역폭에서 rms 잡음전류와 같다. 연관된 특성 판독력 (D)은 NEP, 1/NEP의 반대이고 특정한 판독력 ($D^{\star }$)은 광검출기의 면적 (A)으로 일반화된 판독력 ($D^{\star }=D{\sqrt {A}}$)이다. NEP는 대략적으로 광다이오드에서 판독가능한 최소 입력전원이다.

광다이오드가 광통신 시스템에 사용될 때 이런 변수들은 특정 비트 에러율을 지니는 수신기에 요구되는 최소 입력전원인 광수신기의 민감도에 기여한다.

유형

• PN 광다이오드: 가장 간단한 형태의 광다이오드로, p형 반도체와 n형 반도체가 접합된 소자이다.
• PIN 광다이오드: 이들은 p형과 n형 반도체 사이에 내재된(i형) 반도체 층이 추가된 구조를 가지고 있어, 더 높은 성능을 발휘한다.
• 아발란체 광다이오드 (Avalanche Photodiode, APD): 이 다이오드에서는 아발란체 효과를 통한 전하 캐리어의 증폭이 일어나, 낮은 빛의 신호도 잘 감지할 수 있다.
• 샤우키 광다이오드 (Schottky Photodiode): 금속과 반도체 사이의 교차점을 활용하여 빠른 수신 응답 속도를 갖는다.

응용

PN 광다이오드는 광전도체, 전하결합소자, 광전자배증관 튜브와 같은 다른 광검출기에 유사한 응용으로 사용된다.

광다이오드는 CD 재생기, 화재경보기, 비디오카세트 레코더나 텔레비전의 리모콘 수신부와 같은 전자제품 소자에 사용된다.

카메라 빛 측정, (어두워지면 흐리게 발광하는) 시계 라디오와 가로등같은 다른 소비제품도 있으며, 어느쪽이나 유용하게 사용할 수 있음에도 불구하고 광전도체는 광다이오드보다 자주 사용된다.

광다이오드는 과학이나 산업에서 빛세기의 정확한 측정에 사용된다. 일반적으로 광전도체보다 선형 반응성이 좋다.

또한 컴퓨터 단층촬영 (섬광체와 같이)의 검출기나 표본 (면역 측정)을 분석하는 장비같은 다양한 의료장비에 널리 사용된다. 혈관 모니터에도 사용된다.

PIN 다이오드는 원래의 PN 접합 다이오드보다 더 빠르고 더 민감하다. 그래서 광통신과 빛조절기에 사용된다.

PN 광다이오드는 매우 미세한 빛세기를 측정하는 데 사용하지 않는다. 대신에 높은 민감도가 요구되면 전자사태 광다이오드, 강화 전하결합소자, 광전자증관이 천문학, 분광학, 야간 촬상 소자와 레이저 거리측정기같은 응용제품에 사용된다.

광전자증배관과 비교

광전자증배관보다 장점들:

1. 급격한 빛의 작용에 의한 출력전류의 탁월한 선형성
2. 190 ~ 1100 nm (실리콘)에서 분광 반응성, 다른 반도체 재료보다 더 긴파장
3. 낮은 잡음
4. 기계적 스트레스에 잘견딤
5. 싼 가격
6. 소형이고 가벼움
7. 긴 수명
8. 높은 양자 효율, 일반적으로 80 %
9. 고전압 불필요

광전자증배관보다 단점들:

1. 작은 면적
2. 내부 증폭율이 안됨 (전자사태 광다이오드 제외, 광전자배증관의 증폭율은 10⁸까지 가능한데 반하여 전자사태 광다이오드는 일반적으로 10²–10³이다.)
3. 종합적으로 더 둔한 민감성
4. 광자계산은 특별한 전자회로를 포함된 일반적으로 저온 광다이오드같은 특별한 설계에서만 가능하다.
5. 대다수 설계에서 반응속도가 느림

참고자료

• 〈광다이오드〉, 《위키백과》
• 〈포토다이오드〉, 《두산백과》
• 〈광다이오드〉, 《화학백과》
• 〈광다이오드〉, Electricity - Magnetism

같이 보기

• 발광다이오드
• 다이오드
• 광섬유
• 포토트랜지스터
• 광전소자

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