광다이오드는 빛을 감지하여 전류로 변환하는 반도체 소자이다. PN 접합 또는 PIN 구조로 제작되며, 빛 에너지가 다이오드에 입사하면 전자-정공 쌍이 생성되어 광전류가 발생한다. 광다이오드는 0 바이어스(광기전 방식) 또는 역 바이어스(광전도 방식)로 동작하며, 광전도 모드는 빠른 응답 속도를, 광기전력 모드는 낮은 잡음을 제공한다. 주요 특징으로는 반응성, 암전류, 잡음등가력, 응답 시간, 양자 효율 등이 있으며, 실리콘, 게르마늄, 인듐 갈륨 비소 등의 다양한 재료를 사용하여 특정 파장 범위의 빛을 감지한다. 광다이오드는 CD 플레이어, 리모컨, 의료 기기, 광통신 등 다양한 분야에 활용되며, 특히 1차원 및 2차원 어레이 형태로 제작되어 이미지 센서, 광 마우스 등에 사용되기도 한다. 광전자증배관에 비해 우수한 선형성, 낮은 잡음, 저렴한 비용 등의 장점을 가지지만, 감도와 면적은 상대적으로 작다는 단점이 있다.
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광학 다이오드 - 발광 다이오드 발광 다이오드(LED)는 전기에너지를 빛으로 변환하는 반도체 소자이며, 낮은 소비전력과 긴 수명을 바탕으로 조명, 디스플레이 등 다양한 분야에서 활용된다.
광학 다이오드 - 유기 발광 다이오드 유기 발광 다이오드(OLED)는 유기 화합물의 자체 발광 현상을 이용한 소자로, 1987년 코닥의 2층 구조 소자 개발 이후 효율과 수명이 향상되어 스마트폰, TV 등 다양한 분야에 상용화되었으며, 높은 명암비와 빠른 응답 속도 등의 장점과 함께 수명 및 번인 현상 등의 단점을 극복하기 위한 기술 개발이 진행 중이다.
광다이오드는 PN 접합이나 PIN 구조로 되어 있으며, 충분한 에너지의 광자가 다이오드를 타격하면 전자가 활성화되어 이동 전자와 양의 전하 정공 쌍을 생성한다. 접합의 공핍층(depletion region영어)에서 흡수 작용이 일어나면, 이 캐리어들은 공핍층의 내장 전위에 의해 이동하여 광전류를 생성한다.[2]
광다이오드는 0 바이어스 (광기전력 모드)나 역 바이어스 (광전도 모드)에서 사용할 수 있다.
'''광기전력 모드''': 0 바이어스 상태에서 다이오드에 빛이 들어오면 전압이 발생하고 순방향으로 전류가 흐른다. 이를 광기전력 효과라 하며, 태양 전지의 기본 원리이다.
'''광전도 모드''': 역 바이어스가 걸린 상태에서는 일반적으로 매우 높은 전기저항을 가진다. 특정 주파수의 빛이 접합부에 비치면 이 저항이 감소한다. 따라서 역 바이어스 다이오드는 빛을 감지하는 데 사용될 수 있으며, 이 방식은 광기전력 모드보다 빛에 더 민감하다.
전자사태 광다이오드는 일반 광다이오드와 유사한 구조를 가지지만, 더 높은 역 바이어스 전압에서 작동하여 전자사태 항복(avalanche breakdown영어)을 일으킨다. 이로 인해 광캐리어가 증폭되어 광다이오드 내부 이득이 발생하고, 소자의 반응성이 향상된다.
2. 1. 광전 효과
충분한 에너지를 가진 광자가 광다이오드에 입사하면, 전자가 에너지를 흡수하여 가전자대에서 전도대로 이동한다. 이로 인해 전자-정공 쌍이 생성되고, 이들이 전하 운반체(캐리어) 역할을 하여 전류가 흐르게 된다. 이 메커니즘은 내부 광전 효과라고도 한다.[2]
광자 흡수가 접합부의 공핍층에서 발생하거나, 공핍층으로부터 확산 거리 내에서 발생하는 경우, 이 캐리어는 공핍층의 내장 전위에 의해 접합부로부터 이동하여 광전류가 흐른다.
2. 2. 공핍층
PN 접합이나 PIN 구조에서, P형 반도체와 N형 반도체 사이에는 전하 운반체가 거의 없는 영역이 존재하는데, 이를 공핍층(depletion region영어)이라 한다. 광다이오드에 충분한 에너지를 가진 광자가 입사하면 전자-정공 쌍이 생성된다. 이때, 광자의 흡수가 공핍층에서 발생하거나, 공핍층으로부터 확산 거리 내에서 발생하는 경우, 생성된 전자와 정공은 공핍층의 내장 전위에 의해 분리된다. 분리된 정공은 양극으로, 전자는 음극으로 이동하여 광전류를 생성한다. 이러한 현상은 내부 광전 효과라고도 불린다.[2]
2. 3. 광전도 모드와 광기전력 모드
광다이오드는 PN 접합이나 PIN 구조로 되어 있으며, 빛을 받아 전기를 생성하는 방식으로 작동한다. 광다이오드는 크게 광전도 모드와 광기전력 모드의 두 가지 방식으로 사용된다. 광전도 모드 (Photoconductive mode)에서는 광다이오드에 역방향 바이어스를 가한다. 즉, 음극이 양극에 대해 양으로 구동되도록 전압을 가한다. 이렇게 하면 응답 속도가 빨라지는 장점이 있다. 역방향 바이어스는 공핍층의 폭을 넓혀 접합의 정전용량을 감소시키고 전자가 빠르게 수집되는 전기장이 있는 영역을 증가시키기 때문이다. 하지만, 역 바이어스는 암전류(빛이 없을 때 흐르는 전류)와 잡음을 증가시키는 단점도 있다.[4] 이러한 특성 때문에 광전도 모드는 광통신과 같이 빠른 응답 속도가 필요한 분야에 주로 사용된다. 광기전력 모드 (Photovoltaic mode)에서는 광다이오드에 바이어스를 가하지 않는다(0 바이어스). 다이오드에 빛이 들어오면 소자를 교차하여 전압이 발생하고, 순방향으로 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력 효과라고 부르며, 태양 전지의 기본 원리가 된다. 광기전력 모드는 암전류와 잡음이 적지만, 응답 속도가 느리다는 단점이 있다. 따라서, 태양 전지와 같이 빛 에너지를 직접 전력으로 변환하는 분야에 주로 사용된다.
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요약하자면, 광전도 모드는 빠른 응답 속도를, 광기전력 모드는 낮은 잡음 특성을 가지므로, 응용 분야에 따라 적절한 모드를 선택하여 사용한다.
2. 4. 전자사태 광다이오드 (APD)
'''전자사태 광다이오드'''(Avalanche Photodiode, APD)는 일반적인 광다이오드와 비슷한 구조를 가지지만, 더 높은 역방향 바이어스 전압에서 작동한다. 이는 광다이오드 내부에서 전자사태 항복(avalanche breakdown) 현상을 유발하여 광전류를 증폭시킨다. 각각의 광캐리어는 전자사태 항복으로 인해 증폭되어 광다이오드 내부에서 이득을 얻고, 소자의 유효 감도를 증가시킨다.[5] 이러한 증폭 효과는 소자의 반응성을 향상시킨다.
3. 재료
광다이오드의 재료는 감지 가능한 빛의 파장 범위를 결정한다. 이는 입사한 빛이 전자와 정공을 여기시켜야 하므로, 재료의 밴드갭이 빛의 파장 에너지 이하이어야 하기 때문이다.
실리콘으로 만든 광다이오드는 저마늄으로 만든 광다이오드보다 밴드갭이 넓어 잡음이 적지만, 저마늄 광다이오드는 약 1 µm에 가까운 장파장까지 사용할 수 있다.
트랜지스터나 IC는 반도체로 제작되고 pn 접합을 가지고 있으므로, 모든 능동 소자는 잠재적으로 광다이오드가 될 가능성이 있다. 특히, 미세 전류에 민감한 소자는 광전류가 흐르기 때문에 조명 아래에서는 제대로 작동하지 않는다. 대부분의 소자에서 이것은 예측할 수 없는 것이며, 따라서 소자는 불투명한 패키지에 넣어진다. 패키지는 X선이나 고에너지 방사선에 대해서는 불투명하지 않으므로, 이러한 방사선에 의해 대부분의 IC는 광전류가 흘러 정상 작동을 하지 않게 된다.
3. 1. 주요 재료
광다이오드를 만드는 데 사용되는 재료는 그 특성을 결정하는 데 매우 중요하다. 왜냐하면 충분한 에너지를 가진 광자만이 재료의 띠틈을 넘어 전자를 움직여 광전류를 생성하기 때문이다.
규소 기반 광다이오드는 저마늄 기반 광다이오드보다 더 큰 띠틈을 가지기 때문에 잡음이 적게 발생한다. 그러나 저마늄 광다이오드는 대략 1 µm보다 긴 파장에 사용된다. MoS2와 같은 이원계 재료와 그래핀이 광다이오드 제작을 위한 새로운 재료로 등장했다.[10]
3. 2. 밴드갭과 파장
광다이오드를 만드는 데 사용되는 재료는 그 특성을 결정하는 데 매우 중요하다. 재료의 밴드갭을 넘어 전자를 움직이게 할 만큼 충분한 에너지를 가진 광자만이 유의미한 광전류를 생성하기 때문이다. 밴드갭 에너지에 따라 감지할 수 있는 빛의 파장 범위가 결정된다. 특정 파장 이상의 빛만이 반도체 내에서 전자-정공 쌍을 생성할 수 있다.[9]
실리콘 기반 광다이오드는 게르마늄 기반 광다이오드보다 잡음이 적은데, 이는 실리콘의 밴드갭이 더 크기 때문이다. 최근에는 MoS2와 같은 이원계 재료와 그래핀이 광다이오드 제작을 위한 새로운 재료로 주목받고 있다.[10]
실리콘 광다이오드의 파장에 따른 응답
광다이오드를 광통신 시스템에 사용할 때, 이러한 성능 지표들은 광 수신기의 감도에 영향을 미친다. 광 수신기의 감도는 특정 비트 오류율을 달성하기 위해 수신기에 필요한 최소 입력 전력을 의미한다.
4. 1. 반응성 (Responsivity)
반응성은 입사된 빛의 세기에 대해 생성되는 광전류의 비율을 나타내는 지표이다. 광전도 모드에서 사용할 때, 일반적으로 A/W 단위로 표시된다.[9] 반응성은 양자 수량이나 급속한 광자로 생성된 광캐리어 수량의 속도로 표현되기도 하는데, 이 경우에는 단위가 없다. 반응성이 높을수록 더 작은 빛의 세기에도 민감하게 반응한다.
분광 감도 역시 발생된 광전류와 입사 광전력의 비율로, A/W 단위로 표현된다. 파장 의존성은 양자 효율로도 표현될 수 있다.[9]
4. 2. 암전류 (Dark Current)
암전류는 광다이오드가 광전도 모드로 작동될 때 빛이 없는 상태에서 광다이오드를 통과하는 전류이다.[9] 암전류에는 배경 방사선에 의해 생성된 광전류와 반도체 접합의 포화 전류가 포함된다.[9] 광전력의 정확한 측정을 위해서는 암전류를 보정해야 하며, 광다이오드가 광통신 시스템에 사용될 때는 잡음의 원인이 되기도 한다.[9]
4. 3. 잡음등가력 (NEP, Noise Equivalent Power)
잡음등가력(noise-equivalent power영어, NEP)은 1 Hz 대역폭에서 rms 잡음전류와 동일한 광전류를 생성하기 위한 최소 입력 광세기이다.[9] NEP는 광다이오드에서 판독가능한 최소 입력전원에 해당한다.[9]
이와 관련된 특성으로 판독력 (D)은 NEP의 역수(1/NEP)이고, 특정한 판독력 ()은 광검출기의 면적 (A)으로 일반화된 판독력 ()이다.[9] 비검출도를 통해 센서 면적과 시스템 대역폭에 관계없이 서로 다른 시스템을 비교할 수 있다.[16] 검출도 값이 높을수록 저잡음 장치 또는 시스템을 나타낸다.[16]
4. 4. 응답 시간 (Response Time)
응답 시간은 검출기가 광 입력에 응답하는 데 필요한 시간이다. 반도체 재료에 흡수된 광자는 전자-정공 쌍을 생성하고, 이는 전기장의 영향하에 재료 내에서 이동하여 전류를 생성한다. 이 전류의 유한한 지속 시간을 전이 시간 확산이라고 하며, Ramo의 정리를 사용하여 평가할 수 있다. 이 정리를 통해 외부 회로에서 생성되는 총 전하는 e이며, 두 개의 캐리어가 존재한다고 예상되는 2e가 아님을 보일 수 있다. 실제로 전자와 정공 모두에 의한 전류의 시간에 대한 적분은 e와 같아야 한다. 광다이오드와 외부 회로의 저항과 정전 용량은 RC 시간 상수()로 알려진 또 다른 응답 시간을 발생시킨다. R과 C의 이러한 조합은 시간에 따라 광 반응을 통합하여 광다이오드의 충격 응답을 연장한다. 광통신 시스템에 사용될 때 응답 시간은 신호 변조 및 데이터 전송에 사용 가능한 대역폭을 결정한다.[16]
4. 5. 양자 효율 (Quantum Efficiency)
양자 효율(Quantum Efficiency영어)은 입사된 광자 수에 대해 생성된 전자-정공 쌍의 수의 비율이다.[9] 양자 효율이 높을수록 더 많은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 분광 감도는 발생된 광전류와 입사 광전력의 비율로, 광전도 모드에서 사용될 때 A/W 단위로 표현된다. 파장 의존성은 단위가 없는 양인 ''양자 효율'' 또는 입사 광자에 대한 광 생성 캐리어 수의 비율로도 표현될 수 있다.[9]
5. 응용
광다이오드의 회로 기호
광다이오드는 광전도체, 전하결합소자(CCD), 광전자증배관과 같은 다른 광검출기와 유사하게 활용된다. 빛을 이용해 출력을 생성하거나(측정 목적의 아날로그), 회로 상태를 변경(제어, 스위칭, 디지털 신호 처리 목적의 디지털)하는 데 사용될 수 있다.
광다이오드는 컴퓨터 단층촬영(CT)에서 섬광체와 결합하여 사용되거나, 면역 분석법을 이용한 샘플 분석 장비, 맥박 산소 측정기와 같은 다양한 의료 기기에 널리 사용된다.[17] 혈액 분석기에도 사용된다.
5. 3. 광통신
PIN 다이오드는 pn 접합 다이오드보다 빠르고 민감하여 광통신 시스템에 사용된다.[17] 광섬유 통신 시스템에서 광 신호를 전기 신호로 변환하는 수신 소자로 사용된다.
5. 4. 과학 및 산업
광다이오드는 과학 및 산업 분야에서 빛의 세기를 정확하게 측정하는 데 사용된다. 광다이오드는 광전도체보다 선형적인 반응을 보이는 특성이 있다.
또한 광다이오드는 컴퓨터 단층촬영(섬광체와 결합), 표본 분석 장비 (면역 측정), 혈관 모니터와 같은 다양한 의료 장비에도 널리 사용된다.
PIN 다이오드는 일반 PN 접합 다이오드보다 빠르고 민감하여, 광통신 및 빛 조절기에도 사용된다.
매우 미세한 빛의 세기를 측정해야 할 경우에는 전자사태 광다이오드, 강화 전하결합소자, 광전자증배관이 천문학, 분광학, 야간 투시 장비, 레이저 거리측정기 등에 사용된다.[9]
5. 5. 기타
광다이오드는 CD 플레이어, 화재경보기, 비디오카세트 레코더나 텔레비전의 리모컨 수신부와 같은 전자제품에 사용된다.[17] 카메라 노출계, 자동 조명 제어 시스템, 보안 시스템 등에도 활용된다.
과학 및 산업 분야에서는 빛 세기를 정확하게 측정하는 데 사용되며, 일반적으로 광전도체보다 선형 반응성이 좋다. 컴퓨터 단층촬영 (섬광체와 결합), 표본 (면역 측정) 분석 장비, 혈관 모니터 등 다양한 의료 장비에도 널리 사용된다.
PIN 다이오드는 PN 접합 다이오드보다 빠르고 민감하여 광통신 및 조명 조절에 사용된다. 매우 미세한 빛 세기를 측정할 때는 전자사태 광다이오드, 강화 전하결합소자, 광전자증관이 천문학, 분광학, 야간 촬상 소자, 레이저 거리측정기 등에 사용된다.
6. 광전자증배관과의 비교
광전자증배관에 비해 광다이오드는 선형성이 좋고, 소형이며, 저렴하고, 수명이 길다는 장점이 있다. 반면 광전자 증배관은 증폭률이 매우 높다.(108) 하지만 광다이오드는 면적이 작고, 내부 증폭이 없으며, 감도가 낮고, 반응 속도가 느리다는 단점이 있다. 광자 계산은 특수한 설계에서만 가능하다.[18]
6. 1. 장점
광전자증배관에 비해 출력 전류가 입사광에 대해 우수한 선형성을 보인다.[18]
실리콘의 경우 190nm ~ 1100nm의 분광 응답을 보이며, 다른 반도체 재료를 사용하면 더 긴 파장에 반응한다.[18]
잡음이 낮다.[18]
기계적 스트레스에 대한 내구성이 좋다.[18]
가격이 저렴하다.[18]
소형이며 가볍다.[18]
수명이 길다.[18]
양자 효율이 높다(일반적으로 60~80%).[19]
고전압이 필요하지 않다.[18]
6. 2. 단점
면적이 작다.[18]
내부 증폭이 없다. (단, 전자사태 광다이오드는 예외이지만, 전자사태 광다이오드의 증폭률은 일반적으로 102–103이며, 광전자증배관의 증폭률은 108까지 가능하다.)[18]
종합적으로 감도가 더 둔하다.[18]
광자 계산은 특별한 전자 회로가 포함된, 일반적으로 저온 광다이오드같은 특별한 설계에서만 가능하다.[18]
대다수 설계에서 반응 속도가 느리다.[18]
잠재 효과가 있다.[19]
7. 광다이오드 어레이
광다이오드 어레이는 여러 개의 광다이오드를 배열하여 만든 소자이다. 1차원 배열과 2차원 배열 형태가 존재하며, 각각 다른 용도로 활용된다. 광다이오드는 빛을 감지하여 전기 신호로 바꾸는 소자인데, 이를 여러 개 배열하면 다양한 기능을 수행할 수 있다.
1차원 배열은 위치나 각도를 측정하는 센서로 사용되고, 2차원 배열은 이미지 센서나 광 마우스에 사용된다. 포토다이오드 어레이는 전하 결합 소자(CCD) 또는 CMOS 센서와 달리 고속 병렬 판독을 허용하여, 고속성과 동시성이 요구되는 응용 분야에 적합하다.
포토다이오드 어레이의 잡음은 때때로 성능의 한계가 되기도 한다. 1970년대에는 미세 리소그래피 기술의 한계로 인해 실용적인 픽셀 크기를 가진 액티브 픽셀 센서를 제작하는 것이 불가능했다.[25] 포토다이오드는 광센서 중에서 고속, 고감도에 속하며, 소자를 나란히 배열함으로써 병렬 검출이 가능하다. 수광부를 2분할한 포토다이오드는 광디스크 레이저 광선의 서보 트래킹용으로 사용된다.
7. 1. 1차원 어레이
광다이오드를 일렬로 배열한 1차원 어레이는 각도 센서[22]나 위치 센서로 사용될 수 있다. 수백에서 수천 개의 광다이오드로 구성된 1차원 어레이는 보안용 X선 스캐너[26]나 고속액체크로마토그래피의 흡광도 검출기 등에 사용된다. 이러한 광다이오드 어레이는 전하 결합 소자(CCD) 또는 CMOS 센서와 달리 고속 병렬 판독을 허용하여, 고속성과 동시성이 요구되는 응용 분야에 적합하다.
중앙을 가로지르는 선상에 200개가 넘는 다이오드가 있는 1차원 광다이오드 어레이 칩
7. 2. 2차원 어레이
1982년경의 최초 광 마우스 센서 칩 왼쪽에 위치한 4x4 픽셀의 2차원 광다이오드 어레이
광다이오드를 격자 형태로 배열한 2차원 어레이는 이미지 센서 (CCD, CMOS 센서)와 광 마우스에 사용된다.[22]
일부 응용 분야에서 광다이오드 어레이는 전하 결합 소자(CCD) 또는 CMOS 센서와 같은 통합 스캐닝 전자 장치와는 달리 고속 병렬 판독을 허용한다. 사진에 나와 있는 광 마우스 칩은 4x4 어레이의 16개 광다이오드에 모두 병렬(다중화되지 않음)로 접근한다.
패시브 픽셀 센서(PPS)는 일종의 포토다이오드 어레이이다.[23] 이는 액티브 픽셀 센서(APS)의 전신이었다.[23] 패시브 픽셀 센서는 증폭 없이 읽어내는 패시브 픽셀로 구성되며, 각 픽셀은 포토다이오드와 MOSFET 스위치로 구성된다.[24] 포토다이오드 어레이에서 픽셀은 p-n 접합, 집적 커패시터 및 선택 트랜지스터 역할을 하는 MOSFET을 포함한다. 포토다이오드 어레이는 G. Weckler가 1968년에 제안하여 CCD보다 앞섰다.[25] 이것이 PPS의 기초가 되었다.[23]
8. 한국의 광다이오드 산업
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공항의 수하물 검사 및 수출입 화물 검사용
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