광검출기

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1. 개요

광검출기는 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환하는 소자이다. 열전검출기, 고레이셀, 볼로미터, 광전도 효과를 이용하는 검출기 등 다양한 종류가 있으며, 동작 메커니즘과 소자 구조에 따라 분류된다. 광전 효과, 열적 효과, 편광 효과 등 다양한 검출 메커니즘을 사용하며, 금속-반도체-금속 광검출기, 포토다이오드, 광전자 증배관(PMT) 등의 소자 구조를 갖는다. 광검출기의 성능은 양자 효율, 응답도, 잡음 등 여러 성능 지표로 평가되며, 천문학, 광통신, 이미징, 센싱, 과학 연구 등 다양한 분야에 응용된다.

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광검출기
지도
개요
종류	광전 효과 광도전 효과 광기전 효과 열 효과
주요 응용 분야	빛 또는 다른 전자기 에너지를 감지하는 센서 조명 제어 통신 의료 이미징 보안 산업 자동화 과학 연구
작동 원리
광전 효과	광자가 물질에 흡수되어 전자를 방출하는 현상
광도전 효과	빛에 의해 물질의 전기 전도도가 변화하는 현상
광기전 효과	빛에 의해 전압이 발생하는 현상
열 효과	빛에 의해 물질의 온도가 변화하는 현상
주요 기술
광다이오드	반도체 다이오드로 빛을 전기로 변환
광트랜지스터	빛을 감지하여 전류를 증폭
광도전 소자	빛에 반응하여 저항이 변화하는 소자
광전지	빛에너지를 전기에너지로 변환하는 소자
열전쌍	열에 의해 전압이 발생하는 소자
추가 정보
관련 용어	광 센서 광 검출기 빛 센서 전자파 센서

2. 광검출기의 분류

광검출기는 동작 메커니즘과 소자 구조에 따라 분류할 수 있다. 장치 구조에 따른 일반적인 광검출기 분류는 다음과 같다.

금속-반도체-금속(MSM) 광검출기: 두 개의 금속 전극 사이에 반도체 층이 있는 구조이다.
광다이오드: 가장 일반적인 유형의 광검출기로, PN 접합을 가진 반도체 소자이다.
PIN 광다이오드: P 영역과 N 영역 사이에 본질(I) 영역을 추가하여 공핍 영역을 확장한다.
쇼트키 광다이오드: PN 접합 대신 금속-반도체 접합을 사용하여 고속 응답 특성을 가진다.
애벌랜치 광다이오드(APD): 내부 증폭을 통해 검출 감도를 향상시킨 특수한 광다이오드이다.
포토트랜지스터: 빛을 감지하여 전류를 제어하는 트랜지스터로, 증폭 기능을 제공한다.
전하 결합 소자(CCD): 이미지 센서의 일종으로, 디지털 카메라 등에 사용된다.
CMOS 이미지 센서(CIS): 광검출기와 신호 처리 회로를 통합한 소자이다.
광전자 증배관(PMT): 진공관 기반의 광검출기로, 매우 높은 감도를 가진다.

이 외에도 진성 반도체를 사용한 진성 광전도 셀과 불순물 반도체를 사용한 불순물 광전도 셀 등이 있다.

2. 1. 동작 메커니즘에 따른 분류

광검출기는 빛을 감지하는 방식에 따라 여러 종류로 나뉜다.

광전도 효과: 빛을 받으면 물질의 전기 전도도가 변하는 현상을 이용한다. 주로 반도체를 사용하며, 빛에 의해 전자-정공 쌍이 생성되어 전도도가 증가한다.^[5]
광전 효과: 빛 에너지가 물질에 흡수되어 전자를 방출하거나 전자의 에너지 상태를 변화시키는 현상이다.
열적 효과: 빛 에너지가 물질에 흡수되어 온도가 올라가면, 이로 인해 발생하는 물리적 변화를 감지한다.
편광 효과: 빛에 의해 물질의 편광 상태가 변하는 현상을 이용한다.
광화학적 효과: 빛에 의해 물질의 화학적 변화가 일어나는 현상을 이용한다.
약한 상호 작용 효과: 광자 드래그^[6]^[7] 검출기나 골레이 셀의 기체 압력 변화와 같은 2차 효과를 유발한다.

광검출기는 단일 센서, 1차원 배열, 2차원 배열 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 단일 센서는 전체 빛의 양을 측정하고, 1차원 배열은 분광 광도계나 라인 스캐너처럼 빛의 분포를 측정하는 데 사용된다. 2차원 배열은 이미지 센서로 사용되어 이미지를 형성한다.

광검출기는 일반적으로 조명 창으로 덮여 있으며, 반사 방지 코팅이 되어 있는 경우도 있다.

2. 1. 1. 광전 효과 기반

광전 효과는 빛 에너지가 물질에 흡수되어 전자를 방출하거나 전자의 에너지 상태를 변화시키는 현상이다. 광자는 재료의 전도대에서 진공 또는 기체 내의 자유 전자로 전자의 전이를 일으킨다.^[3]

2. 1. 2. 열 효과 기반

빛 에너지가 물질에 흡수되면 온도가 올라가는데, 이로 인해 발생하는 물리적 변화를 감지하는 방식을 사용한다. 이러한 원리를 이용하는 광검출기에는 볼로미터, 열전쌍, 서미스터, 열전 검출기, 골레이 셀 등이 있다.^[2]^[3]^[4]

볼로미터(Bolometer): 온도에 따라 전기 저항이 변하는 것을 이용하여 빛의 세기를 측정한다. 마이크로볼로미터는 열화상 카메라의 검출기로 사용되는 특별한 유형의 볼로미터이다.
극저온 검출기(Cryogenic detectors): 단일 X선, 가시광선, 적외선 광자의 에너지를 측정할 수 있을 정도로 민감하다.^[18]
열전 검출기(Pyroelectric detector): 광자가 발생시키는 열과 그에 따라 열전 물질에서 발생하는 전압을 통해 광자를 검출한다. 강유전체 결정의 영구쌍극자모멘트가 빛에 의한 가열로 변화하고, 그 전류를 전압으로 변환하여 광파워미터나 오실로스코프로 측정한다. 수 피코초에서 수백 마이크로초의 광펄스 에너지를 측정하는 데 사용된다.
열전쌍(Thermopile): 열을 통해 전자기 복사를 감지하고, 열전대에서 전압을 생성하여 빛을 감지한다. 민감도는 낮은 편이다.
골레이 셀(Golay cell): 기체로 채워진 챔버에서 광자가 발생시키는 열을 감지하여 기체가 팽창하고, 그에 따라 휘어지는 막의 변형을 측정하는 방식으로 광자를 검출한다. 적외선을 검출한다.
서미스터: 민감도는 낮은 편이다.

2. 1. 3. 기타 메커니즘

광화학적 효과: 빛에 의해 물질의 화학적 변화가 일어나는 현상을 이용한다. 예를 들어, 사진 건판과 같은 화학적 검출기에서는 할로겐화은 분자가 빛에 의해 금속 은 원자와 할로겐 원자로 분리된다. 이후 현상액에 의해 인접한 분자들도 비슷하게 분리된다.^[19]
편광 효과: 빛에 의해 적절한 재료의 편광 상태가 변화하는 현상을 이용한다. 이는 굴절률 변화나 다른 편광 효과를 초래할 수 있다. 편광 감응 광검출기는 광학적으로 이방성인 재료를 사용하여 원하는 선형 편광의 광자를 검출한다.^[19]
약한 상호 작용 효과: 광자 드래그^[6]^[7] 검출기나 골레이 셀의 기체 압력 변화와 같은 2차 효과를 유발한다.
광굴절 효과는 홀로그래픽 데이터 저장에 사용된다.
극저온 검출기는 X선, 가시광선, 근적외선 광자의 에너지를 측정할 수 있을 정도로 민감하다.^[23]

2. 2. 소자 구조에 따른 분류

광검출기는 소자의 물리적 구조에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

금속-반도체-금속(MSM) 광검출기: 자세한 내용은 해당 항목 참조.
광다이오드: 가장 일반적인 광검출기 유형이다. 자세한 내용은 해당 항목 참조.
애벌랜치 광다이오드(APD): 내부 증폭을 통해 검출 감도를 향상시킨 특수한 광다이오드이다. 자세한 내용은 해당 항목 참조.
포토트랜지스터: 빛을 감지하여 전류를 제어하는 트랜지스터로, 증폭 기능을 제공한다. 자세한 내용은 해당 항목 참조.
전하 결합 소자(CCD): 이미징 센서의 일종으로, 디지털 카메라 등에 사용된다. 자세한 내용은 해당 항목 참조.
CMOS 이미지 센서(CIS): 광검출기와 신호 처리 회로를 통합한 소자이다. 자세한 내용은 해당 항목 참조.
광전자 증배관(PMT): 진공관 기반의 광검출기로, 매우 높은 감도를 가진다. 자세한 내용은 해당 항목 참조.

이 외에도 진성 반도체를 사용한 진성 광전도 셀과 불순물 반도체를 사용한 불순물 광전도 셀 등이 있다.

2. 2. 1. 금속-반도체-금속(MSM) 광검출기

금속-반도체-금속(MSM) 광검출기는 두 개의 금속 전극 사이에 반도체 층이 있는 구조로 이루어져 있다. 금속 전극은 손가락 모양 또는 격자 모양으로 교차 배열되어 있다. 반도체 층은 일반적으로 실리콘(Si), 갈륨 비소(GaAs), 인듐 인화물(InP) 또는 안티몬 셀레나이드(Sb₂Se₃)와 같은 재료로 만들어진다.^[5] 수직 구조 조작, 식각, 기판 변경 및 플라즈모닉스 활용과 같은 다양한 방법을 함께 사용하여 특성을 개선한다.^[8] 안티몬 셀레나이드 광검출기가 최고의 효율을 보인다.

2. 2. 2. 광다이오드

광다이오드는 가장 일반적인 유형의 광검출기이다. PN 접합을 가진 반도체 소자로, 입사광은 접합의 공핍 영역에서 전자-정공 쌍을 생성하여 광전류를 생성한다. 광다이오드는 다음과 같이 더 세분화될 수 있다.^[9]

PIN 광다이오드: P 영역과 N 영역 사이에 본질(I) 영역을 추가하여 공핍 영역을 확장하고 소자의 성능을 향상시킨다.
쇼트키 광다이오드: PN 접합 대신 금속-반도체 접합을 사용하여 고속 응답 특성을 제공하며, 고주파 응용 분야에 주로 사용된다.

역바이어스 전압을 가하여 전류를 뽑아내는 형태로 사용하면, 극히 우수한 측정 특성을 가지게 된다. 광다이오드는 광전자 증배관을 대체하여 사용되는 경우가 많아지고 있다.

2. 2. 3. 애벌랜치 광다이오드(APD)

광다이오드의 일종인 애벌랜치 광다이오드(APD)는 PN 접합 부근의 높은 전계 영역에서 충격 이온화를 통해 전자-정공 쌍을 증폭시켜 검출 감도를 높인다.^[9] APD는 저조도 이미징 및 장거리 광통신과 같이 높은 감도가 필요한 분야에 널리 사용된다.^[9]

2. 2. 4. 포토트랜지스터

포토트랜지스터는 빛에 감응하는 기저 영역을 가진 트랜지스터이다. 빛이 들어오면 기저 전류가 변하고, 이는 트랜지스터의 콜렉터 전류를 제어한다. 포토트랜지스터는 증폭 기능을 제공하여 빛을 검출하고 신호를 증폭하는 데 사용될 수 있다. 포토다이오드와 같은 검출 방법을 이용하지만, 출력을 증폭하는 기능을 내장하고 있다.^[9]

2. 2. 5. 전하 결합 소자(CCD)

CCD는 미세한 축전기 배열로 구성된 이미징 센서이다. 입사광은 축전기에 전하를 생성하고, 이는 순차적으로 읽히고 처리되어 이미지를 형성한다. CCD는 디지털 카메라 및 과학 이미징 응용 분야에 일반적으로 사용된다.^[9] CCD는 광기전형 검출기이다.

2. 2. 6. CMOS 이미지 센서(CIS)

CMOS 이미지 센서는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 기술을 기반으로 하며, 광검출기와 신호 처리 회로를 단일 칩에 통합한다. CMOS 이미지 센서는 저전력 소비, 높은 통합 및 표준 CMOS 제작 공정과의 호환성으로 인해 인기를 얻고 있다.^[9]

2. 2. 7. 광전자 증배관(PMT)

광전자 증배관(PMT)은 진공관 기반의 광검출기이다. 빛을 쬐면 광전 음극에서 전자가 방출되어 다이노드에서 증폭된다. PMT는 높은 감도를 제공하며, 입자 물리학 실험 및 신틸레이션 검출기와 같이 저조도 검출이 필요한 응용 분야에 사용된다.^[9]

2. 2. 8. 기타 소자 구조

광검출기는 다양한 구조로 사용될 수 있는데, 장치 구조에 따라 다음과 같은 범주로 나눌 수 있다.^[2]

금속-반도체-금속(MSM) 광검출기: 두 개의 금속 전극 사이에 반도체 층이 있는 구조이다. 금속 전극은 손가락 모양이나 격자 모양으로 배열된다. 반도체 층은 실리콘(Si), 갈륨 비소(GaAs), 인듐 인화물(InP) 또는 안티몬 셀레나이드(Sb₂Se₃)와 같은 재료로 만들어진다.^[5] 수직 구조 조작, 식각, 기판 변경 및 플라즈모닉스 활용과 같은 다양한 방법을 함께 사용하여 특성을 개선한다.^[8] 안티몬 셀레나이드 광검출기가 최고의 효율을 보인다.
광다이오드: 가장 일반적인 유형의 광검출기이다. PN 접합을 가진 반도체 소자이다. 입사광은 접합의 공핍 영역에서 전자-정공 쌍을 생성하여 광전류를 생성한다. 다음과 같이 더 세분화될 수 있다.
PIN 광다이오드: P 영역과 N 영역 사이에 본질(I) 영역을 추가하여 공핍 영역을 확장하고 성능을 향상시킨다.
쇼트키 광다이오드: PN 접합 대신 금속-반도체 접합을 사용한다. 고속 응답 특성을 제공하며 고주파 응용 분야에 일반적으로 사용된다.
애벌랜치 광다이오드(APD): 애벌랜치 증배를 통합한 특수한 광다이오드이다. PN 접합 근처에 높은 전계 영역이 있어 충격 이온화를 일으키고 추가적인 전자-정공 쌍을 생성한다. 이러한 내부 증폭은 검출 감도를 향상시킨다. APD는 저조도 이미징 및 장거리 광통신과 같이 높은 감도가 필요한 응용 분야에 널리 사용된다.^[9]
포토트랜지스터: 광 감응성 기저 영역을 가진 트랜지스터이다. 입사광은 기저 전류의 변화를 일으켜 트랜지스터의 콜렉터 전류를 제어한다. 증폭 기능을 제공하며 검출과 신호 증폭이 모두 필요한 응용 분야에 사용될 수 있다.
전하 결합 소자(CCD): 미세한 축전기 어레이로 구성된 이미징 센서이다. 입사광은 축전기에 전하를 생성하고, 이는 순차적으로 읽히고 처리되어 이미지를 형성한다. CCD는 디지털 카메라 및 과학 이미징 응용 분야에 일반적으로 사용된다.
CMOS 이미지 센서(CIS): 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 기술을 기반으로 한다. 단일 칩에 광검출기와 신호 처리 회로를 통합한다. CMOS 이미지 센서는 저전력 소비, 높은 통합 및 표준 CMOS 제작 공정과의 호환성으로 인해 인기를 얻고 있다.
광전자 증배관(PMT): 진공관 기반의 광검출기이다. 조명 시 전자를 방출하는 광전 음극과 이차 방출을 통해 전자 전류를 증배하는 일련의 다이노드로 구성되어 있다. PMT는 높은 감도를 제공하며 입자 물리학 실험 및 신틸레이션 검출기와 같이 저조도 검출이 필요한 응용 분야에 사용된다.

광전도형에는 진성 반도체를 사용한 진성 광전도 셀과 불순물 반도체를 사용한 불순물 광전도 셀이 있다.

진성 광전도 셀: 가시광선 영역용 CdS 셀, 근적외선 영역의 PbS 및 InSb 셀, 중적외선 영역용 HgCdTe 셀 등이 있다.
불순물 광전도 셀: Ge를 모체로 하여, 불순물로 Au, Hg, Cu, Zn, Be 등을 첨가한 것이 적외선 영역에서 널리 사용된다. 이들은 0.16~0.02 eV의 이온화 전압을 가지므로, 열여기(열에 의한 여기)를 피하기 위한 냉각이 필요하다.

3. 광검출기의 성능 지표

광검출기의 성능 지수는 여러 가지가 있으며, 이를 통해 광검출기의 특징을 파악하고 다른 광검출기와 비교할 수 있다.^[2]^[3]

양자 효율: 광자 하나당 생성되는 전하 운반자(전자 또는 정공)의 수.
응답도: 광검출기에 들어오는 총 광 출력으로 나눈 출력 전류.
잡음 등가 출력: 장치의 잡음과 비슷한 크기의 신호를 만드는 데 필요한 광 출력량.
검출도: 검출기 면적의 제곱근을 잡음 등가 출력으로 나눈 값.
이득: 광검출기의 출력 전류를 검출기에 들어오는 광자에 의해 직접 생성되는 전류(즉, 내장 전류 이득)로 나눈 값.
암전류: 빛이 없을 때도 광검출기를 통해 흐르는 전류.
응답 시간: 광검출기가 최종 출력의 10%에서 90%까지 도달하는 데 걸리는 시간.
잡음 스펙트럼: 주파수에 따른 잡음 전압 또는 전류. 잡음 스펙트럼 밀도 형태로 나타낼 수 있다.
비선형성: 광검출기의 비선형성에 의해 RF 출력이 제한된다.^[10]
분광 응답: 광자 주파수에 따른 광검출기의 응답.

4. 광검출기의 응용

광검출기는 여러 분야에서 사용된다.

4. 1. 천문학 및 소립자 물리학

천문학 분야에서는 이미지를 기록하는 검출기로 전하결합소자(CCD)가 널리 사용되지만, 1990년대 이전에는 사진건판이 일반적이었다. 사진건판은 화학 변화를 이용한 검출기로, 은염 분자가 금속은과 할로겐 원자로 분리된다. 현상액에서도 같은 분리가 일어난다.^[23] 습도 등 환경 변화에 따라 수축하거나 변형될 수 있는 필름이 아닌 유리 건판이 주로 사용되었다. 그러나 코닥(Kodak)은 1980년대부터 2000년대까지 천체 관측에 사용되는 여러 종류의 건판 생산을 중단했다.^[24] 차세대 천문 관측 장비(예: 스자쿠)에는 극저온 검출기가 사용되고 있다. 극저온 검출기는 X선이나 가시광선, 근적외선 광자의 에너지를 충분히 측정할 수 있을 정도로 민감하다.^[23]

소립자 물리학에서는 소립자를 추적·특정하는 장치로 입자 검출기가 사용되고 있다.

5. 한국의 광검출기 산업

광통신 산업과 반도체 기술의 발전을 바탕으로 한국은 광검출기 분야에서도 경쟁력을 갖추고 있다. 특히, 삼성전자, SK하이닉스와 같은 주요 반도체 기업들은 CMOS 이미지 센서 (CIS) 분야에서 세계적인 수준의 기술력을 보유하고 있다.

참조

_[1] 저널 Study of residual background carriers in midinfrared InAs/GaSb superlattices for uncooled detector operation
_[2] 웹사이트 Photodetectors http://www-3.unipv.i[...] Prentice Hall 2016-06-01
_[3] 저널 A review of photodetectors for sensing light-emitting reporters in biological systems 2003-06-01
_[4] 저널 Photodetectors, their performance and their limitations 1975-05-01
_[5] 저널 Enhanced photoconductivity performance of microrod-based Sb2Se3 device https://www.scienced[...] 2022-08-15
_[6] 저널 Theory of the photon-drag effect in a two-dimensional electron gas 1988-07-01
_[7] 저널 The performance of photon-drag detectors at high laser intensities 1973-10-01
_[8] 저널 Highly Responsive Near-Infrared Si/Sb 2 Se 3 Photodetector via Surface Engineering of Silicon https://pubs.acs.org[...] 2023-06-16
_[9] 서적 Chapter 5 Avalanche Photodiodes https://www.scienced[...] Elsevier 2023-05-11
_[10] 저널 Modeling sources of nonlinearity in a simple pin photodetector https://www.osapubli[...] 2014-10-01
_[11] 웹사이트 Photo Detector Circuit http://oscience.info[...]
_[12] 서적 Photonics Essentials, 2nd edition https://www.mheducat[...] McGraw-Hill 2021-02-24
_[13] 웹사이트 Encyclopedia of Laser Physics and Technology - photodetectors, photodiodes, phototransistors, pyroelectric photodetectors, array, powermeter, noise https://www.rp-photo[...] 2016-05-31
_[14] 웹사이트 PDA10A(-EC) Si Amplified Fixed Gain Detector User Manual https://www.thorlabs[...] Thorlabs 2018-04-24
_[15] 웹사이트 DPD80 760nm Datasheet https://resolvedinst[...] Resolved Instruments 2018-04-24
_[16] 저널 A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors 2014-01-01
_[17] 웹사이트 Silicon Drift Detectors https://tools.thermo[...] Thermo Scientific
_[18] 서적 Cryogenic Particle Detection Springer, Topics in applied physics 99
_[19] 저널 Polarization-sensitive broadband photodetector using a black phosphorus vertical p–n junction 2015-06-01
_[20] 저널 Graphene Coupled with Silicon Quantum Dots for High-Performance Bulk-Silicon-Based Schottky-Junction Photodetectors 2016-01-01
_[21] 웹사이트 光検出器とは https://kotobank.jp/[...] 2021-06-05
_[22] 웹사이트 【2023年版】光センサー5選・メーカー27社一覧・製品価格 https://metoree.com/[...] 2023-03-03
_[23] 서적 Cryogenic Particle Detection Springer、 Topics in applied physics 99
_[24] 저널 The Southern Proper Motion Program. III. A Near-Complete Catalog to V = 17.5
_[25] 저널 Study of residual background carriers in midinfrared InAs/GaSb superlattices for uncooled detector operation https://semanticscho[...]

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