유형광검출기 장치구조
광검출기광 신호를 전기 신호로 변환하는 장치로서, 그 구조와 종류는 크게 다음과 같은 범주로 나눌 수 있다.
(1) 광전도성 광검출기
광전도 소자는 빛에 노출되면 광생성된 전하 운반체로 인해 전도도가 증가하고 저항이 감소합니다. 상온에서 여기된 전하 운반체는 전기장의 작용으로 방향성을 가지고 이동하며 전류를 발생시킵니다. 빛이 조사되면 전자가 여기되어 전이가 일어나고, 동시에 전기장의 작용으로 이동하면서 광전류를 생성합니다. 이렇게 생성된 광전도 전하 운반체는 소자의 전도도를 증가시키고 저항을 감소시킵니다. 광전도형 광검출기는 일반적으로 높은 이득과 뛰어난 응답성을 보이지만, 고주파 광 신호에는 반응하지 못하므로 응답 속도가 느려 광전도 소자의 응용 분야에 제약이 있습니다.
(2)PN 광검출기
PN 광검출기는 P형 반도체 물질과 N형 반도체 물질의 접촉으로 형성됩니다. 접촉이 형성되기 전에는 두 물질이 분리된 상태입니다. P형 반도체의 페르미 레벨은 가전자대 가장자리에 가깝고, N형 반도체의 페르미 레벨은 전도대 가장자리에 가깝습니다. 동시에, 전도대 가장자리에 있는 N형 물질의 페르미 레벨은 두 물질의 페르미 레벨이 동일한 위치에 올 때까지 지속적으로 아래로 이동합니다. 전도대와 가전자대의 위치 변화는 밴드 굽힘을 동반합니다. PN 접합은 평형 상태에 있으며 균일한 페르미 레벨을 가집니다. 전하 운반체 분석 측면에서 보면, P형 물질의 전하 운반체는 대부분 정공이고, N형 물질의 전하 운반체는 대부분 전자입니다. 두 물질이 접촉할 때, 전하 운반자 농도의 차이로 인해 N형 물질의 전자는 P형 물질로 확산되고, N형 물질의 전자는 반대 방향인 정공으로 확산됩니다. 전자와 정공의 확산으로 인해 상쇄되지 않은 영역에는 내부 전기장이 형성되고, 이 내부 전기장은 전하 운반자의 드리프트를 유발합니다. 드리프트 방향은 확산 방향과 정반대이므로, 내부 전기장의 형성은 전하 운반자의 확산을 억제합니다. 따라서 PN 접합 내부에서는 확산과 드리프트가 동시에 일어나다가 두 운동이 균형을 이루어 정적 전하 운반자 흐름이 0이 되고 내부 동적 평형 상태에 도달합니다.
PN 접합에 빛이 조사되면 광자의 에너지가 전하 운반체로 전달되어 광생성 전하 운반체, 즉 광생성 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 전기장의 작용으로 전자와 정공은 각각 N 영역과 P 영역으로 이동하며, 이러한 광생성 전하 운반체의 방향성 이동이 광전류를 발생시킵니다. 이것이 PN 접합 광검출기의 기본 원리입니다.
(3)PIN 광검출기
PIN 광다이오드는 I층을 중심으로 P형 물질과 N형 물질이 교대로 존재하는 구조이며, I층은 일반적으로 진성 물질 또는 저농도 도핑 물질로 구성됩니다. 작동 원리는 PN 접합과 유사하며, PIN 접합에 빛이 조사되면 광자가 전자에 에너지를 전달하여 광생성 전하 운반체를 생성합니다. 이때 내부 전기장 또는 외부 전기장에 의해 생성된 광생성 전자-정공 쌍이 공핍층에서 분리되고, 이동하는 전하 운반체는 외부 회로에 전류를 형성합니다. I층은 공핍층의 폭을 넓히는 역할을 하며, 높은 바이어스 전압이 가해지면 I층 전체가 공핍층이 되어 생성된 전자-정공 쌍이 빠르게 분리됩니다. 따라서 PIN 접합 광검출기의 응답 속도는 일반적으로 PN 접합 광검출기보다 빠릅니다. 또한, I층 외부의 전하 운반체도 확산 운동을 통해 공핍층에 모여 확산 전류를 형성합니다. I층의 두께는 일반적으로 매우 얇으며, 그 목적은 검출기의 응답 속도를 향상시키는 것입니다.
(4)APD 광검출기애벌랜치 포토다이오드
메커니즘애벌랜치 포토다이오드APD 광검출기는 PN 접합과 유사한 특성을 보입니다. 고농도 도핑된 PN 접합을 사용하는 APD 검출기의 동작 전압은 크며, 큰 역방향 바이어스가 가해지면 APD 내부에서 충돌 이온화 및 애벌랜치 증폭이 발생하여 검출기의 성능이 향상되고 광전류가 증가합니다. APD가 역방향 바이어스 모드일 때, 공핍층의 전기장은 매우 강해지고, 빛에 의해 생성된 광전하 운반체는 전기장의 작용으로 빠르게 분리되어 이동합니다. 이 과정에서 전자가 격자와 충돌하여 격자 내 전자를 이온화시킬 확률이 있습니다. 이 과정이 반복되면서 격자 내 이온화된 이온도 다시 격자와 충돌하여 APD 내 전하 운반체 수가 증가하고 결과적으로 큰 전류가 발생합니다. APD 기반 검출기가 일반적으로 빠른 응답 속도, 큰 전류 이득 및 높은 감도를 갖는 것은 바로 APD 내부의 이러한 독특한 물리적 메커니즘 때문입니다. PN 접합 및 PIN 접합과 비교했을 때, APD는 응답 속도가 더 빠르며, 현재 시판되는 감광관 중에서 가장 빠른 응답 속도를 자랑합니다.
(5) 쇼트키 접합 광검출기
쇼트키 접합 광검출기의 기본 구조는 쇼트키 다이오드이며, 전기적 특성은 앞서 설명한 PN 접합과 유사하고, 양의 방향으로는 전도되고 역방향으로는 차단되는 단방향 전도성을 갖습니다. 일함수가 높은 금속과 일함수가 낮은 반도체가 접촉하면 쇼트키 장벽이 형성되어 쇼트키 접합이 만들어집니다. 주요 메커니즘은 PN 접합과 다소 유사한데, N형 반도체를 예로 들면 두 물질이 접촉할 때 두 물질의 전자 농도 차이로 인해 반도체의 전자가 금속 쪽으로 확산됩니다. 확산된 전자는 금속의 한쪽 끝에 지속적으로 축적되어 금속의 원래 전기적 중성을 파괴하고 접촉면에서 반도체에서 금속으로 향하는 내부 전기장을 형성합니다. 전자는 이 내부 전기장의 작용으로 이동하며, 전하 운반체의 확산과 이동 운동이 동시에 일어나 일정 시간이 지나면 동적 평형 상태에 도달하여 최종적으로 쇼트키 접합이 형성됩니다. 빛이 조사되는 조건에서 장벽 영역은 빛을 직접 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성하는 반면, PN 접합 내부의 광생성 캐리어는 확산 영역을 통과해야 접합 영역에 도달할 수 있습니다. PN 접합과 비교했을 때, 쇼트키 접합 기반 광검출기는 응답 속도가 더 빠르며, 나노초(ns) 수준에 도달할 수도 있습니다.
게시 시간: 2024년 8월 13일