Sensor Engineering

2020-04-28

Kyung-Bum Lim

1

제 2 장 광 센서 2020-04-28 2

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•

빛의 성질



2.0 광 센서의 기초

파입자 이중성(wave particle duality) 빛은 파(wave)와 입자(particle)의 성질을 모두 갖는다.

 광파 (light wave) 광파는 전자파(電磁波;electromagnetic wave; EM wave)의 일종 광파(전자파)는 서로 직교하는 전계(電界)와 자계(磁界)로 구성되며, 정현파로 진동하는 전계와 자계에 수직한 축 방향을 따라 진행 3

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 광 센서의 주 검출 대상 가시광, 적외선, 자외선을 검출한다.

가시광선(visible light) : 파장이 약 390[nm]~780[nm] 사이인 전자파 적외선 (赤外線; infrared; IR) : 가시광선보다 긴 0.78[  m]~1000[  m] 파장의 전자파 0.78[  m]~2.5[  m]: 근적외선(近赤外線; nearinfrared; NIR) 2.5[  m]~50[  m] : 적외선 50[  m]~1000[  m]:원적외선(遠赤外線;farinfrared; FIR) 또는 서브밀리(subm) 파 자외선 (ultraviolet; UV) : 가시광선보다 단파장의 전자파(1~400[nm]) 4

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 광자(光子; photon) 또는 광양자 (光量子; light quantum) - 주파수

v

인 빛의 광자가 갖는 에너지

E ph h c

= = =

h

n =

h c

l 파장이 짧을 수록 에너지가 크다!

Plank'

nl =

s constant light velocity

=

6.23

= ´

10 2.998

´ -34

J 10

8

m/s

광파 (light wave) 광자(光子; photon) 광파가 물질과 상호작용을 할 때 나타나는 입자의 성질 5

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•

빛의 방출과 흡수

 빛의 방출 물체를 구성하는 원자 및 분자와 광파의 상호작용!

- 원자 내에서 높은 에너지 준위에 있는 전자가 더 낮은 에너지 상태로 천이(遷移; transition)하면 빛이 방출된다 - 에너지 E의 여기 상태에 있는 전자가 에너지 E의 기저상태로 천이할 때, 에너지 차 에 해당하는 빛이 방출된다. 그 주파수는 n =

E

2 -

E

1

h

광원의 빛 방출--수많은 개수의 광자 6

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 빛의 흡수 - 물체가 빛(전자파)을 흡수하면, 전자는 기저상태에서 여기 상태로 올라간 다. - 빛(전자파)을 방출하는 물체는 에너지를 상실하고, 흡수하는 물체는 에너 지를 얻는다.  발광현상 - 루미네슨스(luminescence) : 열을 수반하지 않는 발광 물체나 분자를 구성하는 원자가 빛, x선, 전자선, 방사선, 전기 또는 화학 반응 등의 에너지를 흡수하여 여기 상태로 된 후 다시 천이하여 발광하는 현상 (예) 발광 다이오드(LED), 레이저(laser) . - 열방사(熱放射; thermal radiation) 연속 스펙트럼의 빛이 방출된다. 저온에서는 적외선이 방사되며, 고온으로 감에 따라 방사량이 증가되는 동시에 단파장의 가시광 쪽으로 이동하여 휘도를 증가시킨다.

(예) 전구의 필라멘트, 태양 표면 7

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•

광 센서의 분류 [자외선, 가시광선, 적외선]

 양자형(量子型; photon detector or quantum detector) - 전자파의 양자를 흡수해서 전하 캐리어(charge carrier)로 직접 변환하 는 광 센서 - 광도전 셀(photocell), 포토다이오드(photodiode), 포토트랜지스터 (phototransistor) 등 - 양자형은 자외선에서 중적외선(midIR) 범위에서 동작한다.

 열형(熱型; thermal detector) - 적외선을 흡수한 소자의 온도가 변화하고, 그 결과 소자의 전기적 특성 (저항, 열기전력, 전기분극 등)이 변하는 효과를 이용하는 광 센서 - 서미스터(thermistor), 볼로미터(bolometer), 서모파일(thermopile), 초전센서(pyroelectric detector) - 중적외선부터 원적외선 범위를 검출하는데 유용하다. 8

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광 센서의 분류 9

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•

광전 효과 2.1.1 광 검출의 기본원리

• 광전효과(photoelectric effect) - 진공 속에 놓여있는 금속이나 반도체에 빛을 조사할 때 그 표면으로부터 진공 속으로 전자가 방출되는 현상 - 이때 방출되는 전자를 광전자(photoelectron)라고 부른다. 10

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• 일함수(work function) - 금속진공 계면에는 (+)전하인 금속이온과 (-)전하인 전자 사이에 형성된 전기 이중층이 전도전자에 대해서 전위장벽을 형성한다. 금속내부의 전자 가 이 전위장벽을 극복하고 진공으로 방출되는데 필요한 에너지를 일함수 (work function)라고 부른다. - 금속에 일 함수 또는 그 이상의 에너지를 갖는 빛(광자)이 입사되면, 전자 는 전위장벽을 극복하고 진공 속으로 방출된다. - 일함수 이하의 에너지를 갖는 빛이 입사하면 전자는 방출되지 않는다.

11

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반도체의 경우는 빛에 의해 가전자대 중의 전자가 전도대 밑으로부터 전자친 화력( x )만큼 또는 그 이상의 높은 에너지 위치로 여기되면 진공 중으로 방출 된다.

반도체에서 광전자 방출을 일으키는데 요구되는 광자 에너지는

E Th

=

E g

+ c 12

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•

광도전 효과

- 반도체에 빛을 조사하면 전자정공 쌍(electronhole pair)이 발생하여, 그 부분의 전기 전도도(電氣傳導度；electrical conductivity; 보통 도전율이라 고 부른다.)가 증가하는데, 이것을 광도전 효과(光導電效果; photo conductive effect)라고 부른다. 13

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

광 전도도 (光傳導度; photoconductivity )

빛 조사 전 : s

o

=

n o e



n

+

p o e



p

빛 조사 후 : s 광전도도(光傳導度; photoconductivity)

ph

=

ne



n

+

pe



p

= = (

n o

+ (

n o e

 D

n n

+ )

e



n p o e

 + (

p

)

p o

+ + D

p

)

e

 ( D

ne



n

+

p

D

pe

 = 빛에 의해 도전율은 s

o

D + s D s 만큼 증가한다.

p

) -따라서, 센서의 저항은 감소하고 흐르는 전류는 증가한다.

R o

= s 1

o I o

=

V R o A L R ph

= s

o

+ 1 D s

A

=

R o

D

R L I ph

=

V R ph

=

I o

+ D

I

14

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

한계파장(threshold wavelength) 또는 차단파장

- 모든 빛이 광도전 효과를 나타내는 것은 아니다. 전자가 전도대로 올라가 기 위해서는 광자의 에너지가 에너지 갭 보다 커야 한다.

E ph

=

h

n =

h c

l >

E g E ph

=

E g E ph

=

h

l

c c

=

E g

l

c

=

hc E g

=

E

1

g

.

24 [

eV

]

[  m] 15

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-

에너지 갭

이

있다

.

결정되면 센서의 장파장 측의 감도한계로 차단파장을 알 수 광 센서 재료로 흔히 사용되는 반도체의 차단파장

16

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

불순물 반도체의 광전효과

-지금까지 설명한 진성 반도체의 에너지 갭은 0.1[eV] 정도가 한계이기 때문 에 차단파장이 12[  m] 이상의 원적외선을 검출할 수 없다.

-진성 반도체 대신 불순물 반도체를 사용한다. -전자는 불순물 준위로부터 전도대로 올라가므로, 차단파장이 매우 길어져 원 적외선에 응답하는 센서를 만들 수 있다 l

c

= D

1

E

.

24 [

eV

-예 : Si에 As를 도핑 : D

E

Ge에 Cd를 도핑 : D

E

= =

] 0

[  m]

0 .

.

05 06 eV eV

D

E

가 작아 열잡음이 문제로 되기 때 문에 극저온으로 냉각할 필요가 있다. 17

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•

광기전력 효과

• 포토다이오드(photodiode)는 pn 접합의 광기전력 효과를 이용해서 빛을 검출하는 광 센서.

• 광기전력 효과(photovoltaic effect) pn 접합(junction)에 빛을 조사하였을 때 기전력(起電力)이 발생하 는 현상 18

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

pn 접합(junction)

(a) 접합 전 (b) 접합 후 19

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

광기전력 효과

광기전력 • • • • • pn 접합에 빛이 조사되면, n영역, p 영역, 공핍층에서 전자정공 쌍이 발 생한다. 공핍층에서 발생된 전자는 n영역으 로, 정공은 p영역으로 내부 전계에 의해서 가속된다 n영역에서 발생된 전자는 전도대에 머무르고, 정공은 공핍층까지 확산 한 다음 그곳에서 전계에 의해 가속 되어 p영역으로 흘러 들어 간다.

p영역에서 발생된 정공은 가전자대 에 머무르고, 전자는 공핍층을 통과 해 n영역으로 흘러 들어 간다.

전자는 n영역의 전도대에, 정공은 p 영역의 가전자대에 축적되고, 이로 인해 p영역이 정(+), n영역이 부(-) 인 전위가 형성되어 광기전력으로 출력된다.

20

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•

복합 광센서란?

발광소자와 수광소자(광 센서)를 조합시킨 것 - 수광소자 : phototransistor와 이것을 달링톤으로 접속한 것이 주로 - 최근에는 출력 측의 주변회로(증폭회로, 슈미트 트리거 회로 등)를 동일 칩에 집적화한 IC 수광소자도 시판되고 있다. - 발광소자와 수광소자의 거리 : 3[mm], 7.5[mm] 등이 보통이다.

21

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2.2 포토다이오드



구조와 동작원리

• • n형 실리콘 단결정의 표면에 p형 불순물(보통 보론(B))을 선택 확산하여 1[um] 정도 깊이의 pn 접합을 형성한다. 빛을 p층 방향에서 조사하면 앞에서 설명한 바와 같이 전자정공 쌍이 발 생하여 광기전력이 발생하고, 외부회로를 통해서 광 전류가 흐른다 22

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

전류-전압 특성

• • • 빛이 없는 상태에서 포토다이오드에 전압을 인가하면 곡선 ⓐ와 같이 일 반 다이오드의 정류특성을 얻는다. 외부로부터 빛이 조사되면 광전류 비례해서 ⓑ, ⓒ로 평행 이동한다. I ph 가 발생하고, 곡선은 빛의 세기에 이와 같이, 입사광의 세기(G L )가 증가하면, 포토다이오드의 출력전압과 전류가 증가한다. 23

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• 출력전류와 출력전압 관계는

I out

=

I ph

-

I s

 

exp

eV kT

  -

1

  여기서, k = 볼쯔만 상수(Boltzmann constant), T = 절대온도, I s = 역방향 누설전류, I ph = 입사광의 세기에 비례하는 광전류 24

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

특성

입사광에 대한 광전류 출력의 직선성이 좋다 응답 특성이 양호하다 광대역의 파장 감도를 갖는다 저잡음이다 소형, 경랼이다 진동, 충격에 강하다 출력전류가 작다 25

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

포토다이오드 응용

26

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• Basic op amp circuit • Fiber optic link • CAT scan (x-ray detector) • Light meter • Smoke detector • Pulse monitor (finger probe) 27

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2.3 PIN 포토다이오드



구조와 동작원리

• • pn 접합 사이에 비저항이 큰 진성영역(眞性領域 ; intrinsic layer)을 형성하여 pin 구조로 한 것을 pin 포토다이오드라 한다.

i

영역의 케리어 농도는 매우 작 으므로 고저항으로 된다. n + 영역에 (+), p + 영역에 (-)의 역방향 전압을 인가하면, 인가전압의 대부분 (수십 volt)은 고저항의

i

층에 걸리게 되어

i

영역은 완전히 공핍층으로 된다. 28

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• 이와 같은 상태에서 에너지 갭보다 더 큰 에너지를 갖는 빛이 입사되면, 얇은 p층을 통과한 후 그 대부분이

i

층에서 흡수되어 전자정공 쌍이 발생하고, 이 전자와 정공은 즉시 분리되어 내부 전계에 의해서 전자는 n + 영역으로 정공은 p + 영역으로 이동하여 전류에 기여하게 된다. • 높은 효율을 얻기 위해서는 반사 방지막을 설치하여 반사계수를 가능한 한 작 게 하고,

i

층의 두께를 가능한 한 크게 하여 입사된 빛이 될 수 있도록 해야 한다.

i

영역에서 모두 흡수 29

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

특성

• pin 포토다이오드은 실질적인 공핍층의 두께가 증가하여 센서의 정전용량 이 감소하므로 고속으로 되고, 양자효율이 높고, 암전류(dark current)가 작으며, 동작전압이 낮아 사용이 용이 30

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2.4 Avalanche photodiode (APD) 포토다이오드



구조와 동작원리

• 로 구성되며, 입사광은 주로 p 는 n+ 영역으로, 정공은 p+ 영역으로 이동한다. p 층(p-)에서 흡수되고 여기서 발생된 전자 31

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• • p영역에는 강한 전계가 형성되어 있기 때문에, 이 영역에 주입된 전자는 강 한 전계에 의해 가속되어 격자(원자)에 충돌할 때마다 새로운 전자정공쌍을 발생시킨다. 이러한 충돌(b와 c)이 반복되어 p층에서 전자와 정공의 수가 눈사태처럼 급격히 증배하는 현상을 애벌랜치 효과(avalanche effect)라고 부른다. 애벌랜치 포도다이오드는 이 효과에 의한 전류증폭작용을 이용한 내부증폭 형 광센서이다. 32

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

특성

• APD 내부증배기구에 의해 미약한 신호를 열잡음 레벨 이상으로 증폭하는 것이 가능하여 큰 S/N비가 얻어진다. 포토다이오드에 비해 작은 부하저항으로 충분한 출력전압을 얻기 때 문에 고속화가 달성될 수 있어 장거리 광통신에 사용된다. 미약한 광 검출에도 사용된다. • 애벌랜치 증배과정 특유의 전류 불안정에 기인하는 과잉잡음이 발생한다. • 사용상 유의할 점은 높은 역방향 바이어스를 인가하므로 이상 브레이크다 운(breakdown)에 주의해야 하며, 역 바이어스 전원이 충분히 안정되어야 한다.

33

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2.5 포토 트랜지스터(Photo Transistor)

• • Photo IC는 입사 광에 의해서 동작하는 집적회로(integrated circuits)이다.

Photo IC는 구조에 따라서 다음과 같이 분류한다.

Monolithic photo IC photosensitive area와 신호처리회로가 동일한 IC 칩에 만들어진다, Hybrid photo IC 개별 photodiode 칩과 신호처리 칩이 접속되어 동일 package 속에 assemble 된다. • • 출력은 photosensitive area 에 입사하는 빛에 따라서 변한다. 출력 mode는 신호처리회로의 기능에 따라서 다르다. 34

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

구조와 동작원리

• • 보통의 트랜지스터와 마찬가지로 베이스(base; B), 이미터(emitter; E), 컬렉터(collector; C)를 갖는다. 포토트랜지스터는 등가적으로 그림 (b)와 같이 포토다이오드와 트랜지스 터를 조합시킨 것으로 생각할 수 있어 트랜지스터의 증폭작용에 의해 고 감도의 광 센서가 얻어진다. • 광전류가 발생하는 원리는 포토다이오드와 같다. 35

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• • • 베이스(B)컬렉터(C) 접합이 역바이어스, 베이스(B)이미터(E) 접합이 순 바이어스가 되도록 이미터와 컬렉터사이에 전압을 인가한다. 빛이 입사되면 베이스 영역에서 전자정공 쌍이 발생하고, 발생된 전자는 컬렉터 측으로, 정공은 이미터 측으로 이동한다. 이것이 베이스 전류의 역할을 함으로써 컬렉터이미터 사이에 광량에 대응하는 전류가 흐르며, 이 전류 값으로부터 빛의 강도를 알 수 있다.

h FE I C

=

h FE I L

: 트랜지스터의 이미터 접지 증폭률 36

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• 포토트랜지스터의 광 전류 크기는 베이스 접합면적, 베이스컬렉터 접합의 광전 변환효율, 트랜지스터의

h

등과 같은 요인에 의해서 결정된다. 포

FE

토트랜지스터의 감도는 pin 포토다이오드와 APD 사이에 있다.

• 포토트랜지스터의 종류 (a) 일반적인 구조 37

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(b) 베이스 단자가 부착된 구조 : - 장점 : 암전류의 감소, 응답속도의 개선, 온도보상 등이 가능 - 단점 : 외부잡음을 받기 쉽다 (c) 포토다알링톤 (phtodarlington) : - 출력 전류가 크다. 릴레이를 직접 구동하는 것이 가능하다. 38

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

특성

• • • 출력전류는 입사광의 세기에 비직선적으로 비례해서 증가한다. 실리콘 포트트랜지스터는 직선성이 나쁘므로 광강도의 측정에는 별로 사 용되지 않는다.

속도가 느려 주로 광의 유무를 검출하는 스위치로써 사용되고 통신용으 로는 사용되지 않는다. 

응용

• 포토트랜지스터는 단독으로 사용되는 경우보다, 발광원(LED)과 조합시 켜 입출력을 전기적으로 절연한 광전달 소자, 포토커플러, 포토인터럽터 등으로 더 많이 응용되고 있다. 39

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

특징

• • • • • • • • • • • • 포토다이오드에 비해 출력되는 광전류가 크다 전기적 잡음도 적도 큰 S/N비를 얻을 수 있다 신뢰성이 높다 소형화 할 수 있다 전류 증폭률이 크다 진동과 충격에 강하다 가격이 싸다 암전류가 적다 ; 광전효과(光電效果)에 의해 광전류를 발생하는 물체 또는 장치에서 열적 (熱的) 원인, 절연성 불량 등의 원인에 의해 암흑 때(빛을 쬐지 않았을 때)에 도 흐르는 전류.

이력현상이 없다 포토다이오드에 비해 입사광에 대한 광전류의 직선성이 나쁘다 고감도인 것일 수록 응답속도가 늦다 포화전압이 높다 40

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2.6 광도전 셀 또는 포토 셀

- 광도전 효과를 이용한 광 센서를 광도전 셀(photoconductive cell) 또는 포토셀(photocell) 이라고 부른다. - Photocell은 다음과 같이 분류된다. R without Light  1~수십[M  ] R with Light, 10[lux]  수~수십[k  ] 가시광 검출 : CdS photocell, CdSe photocell 적외선 검출 : PbS, PbSe, InSb, InAs, MCT(HgCdTe) 

CdS 셀 (카드뮴+황)

• 기본 구조 전극과의 접촉면적을 크게!

Hamamatsu PerkinElmer

41