포토다이오드란?
포토다이오드란 빛을 조사하면 미세한 전류가 일정한 방향으로 흐르는 수광소자를 말합니다.
반도체의 접합부에 빛을 비추면 내부 광전효과가 발생하여 전자가 여기되어 전류가 흐르는 성질을 이용하여 조사된 빛의 레벨을 감지합니다. 수광을 감지하는 정확도가 높기 때문에 특히 광통신 장비에 필요한 부품입니다.
그 외 가스 농도 측정 등 의료용 장치에도 탑재되고 있습니다. 다이오드 구조는 크게 PN 접합형과 PIN 접합형, 아발란체형이 있으며, 각각 수광 감도와 응답 속도가 다릅니다.
포토다이오드의 사용 용도
포토다이오드의 대표적인 사용 용도는 CD/DVD 플레이어의 픽업 부분, TV 리모컨, 광통신 등입니다. 특히 고감도 수광 감도를 가진 PIN 접합형은 통신 광통신 시스템에 사용되고 있으며, 응용 분야에서도 널리 사용되고 있습니다.
포토다이오드의 세 가지 구조 중 가장 많이 사용되는 타입입니다. 그 외 의료용 기기의 단층촬영기 등에도 사용되고 있습니다.
포토다이오드의 원리
포토다이오드는 소자에 빛이 조사되면 반도체의 접합부 전자가 여기되어 전류를 측정하여 광량을 검출할 수 있는 물리현상을 이용합니다.
다이오드의 재질에 따라 감지할 수 있는 빛의 파장이 다르기 때문에 파장의 용도에 따라 선택해야 합니다. 사용되는 주요 소재는 실리콘, 게르마늄, 황화납 등입니다.
1. PN 접합형
P형 반도체와 N형 반도체의 경계인 공핍층에 빛을 비추면 전자가 N형 반도체 쪽으로 흐르고, P형 반도체에서는 전자가 이동하면서 정공이 생성됩니다. 빛이 조사되는 동안 이러한 전자와 정공의 흐름이 발생하기 때문에 전자의 흐름을 전류로 감지하지만, 응답속도가 다소 느린 것이 특징입니다.
2. PIN 접합형
암전류라고도 불리는 백그라운드 노이즈가 적어 포토다이오드로 가장 많이 활용되는 구조로, P형 반도체, I형 반도체, N형 반도체가 일렬로 접합되어 있습니다.
I형 반도체 부분에 역방향 바이어스 전압을 가하면 여기된 전자가 N형 반도체로 원활하게 흘러들어가 응답속도가 빨라지는 것도 특징 중 하나입니다.
3. 아발란스 접합형
P형 반도체 층의 전극 부분부터 순서대로 p+층, p-층, p층으로 나뉘어져 있는 것이 특징입니다. 아발란체(전자 눈사태) 증폭 기능을 통해 매우 미약한 빛을 초고속 응답으로 감지할 수 있는 특성을 가지고 있습니다. 전압은 높은 전압을 걸어서 사용하는 것이 일반적이며, 머리글자를 따서 APD라고 부릅니다.
포토다이오드의 기타 정보
1. 포토다이오드의 응용 회로
포토다이오드는 양 전극을 개방 상태일 경우 온도 의존성이 크고, 단락일 경우 광량과 전류의 관계가 선형적이지 않기 때문에 그대로 응용에 적용하기 어렵습니다. 따라서 조도계나 노출계 등 밝기를 측정하는 용도에는 포토다이오드의 캐소드를 연산 증폭기의 반전 입력 단자에, 애노드를 비반전 단자에 연결하고 연산 증폭기의 출력 단자와 반전 입력 단자 사이에 환원저항 Rf를 삽입하는 회로 구성이 사용됩니다.
이 회로에서는 빛의 세기에 따른 단락전류 Is×귀환저항 Rf가 연산 증폭기의 출력 전압(반전 입력단자를 기준 전압)이 되고, 포토다이오드의 양단(양극-음극 간) 전압은 0V, 즉 양단을 단락시킨 상태와 동일(가상 단락)하게 됩니다.
따라서 단락 전류 Is는 빛의 세기에 비례하므로 연산 증폭기의 출력 전압은 빛의 세기로 표현할 수 있습니다. 실제 회로에서는 포토다이오드의 용량에 의한 응답 지연을 보장하는 커패시터 Cf를 연결하여 응답 속도를 빠르게 합니다.
2. 포토 다이오드의 분광 감도 특성
실리콘 포토다이오드는 320nm~1100nm 파장의 빛에 대해 전류를 출력하는데, 특히 800nm~1000nm의 근적외선 영역에서 높은 감도를 보입니다. 인간의 가시광선 영역은 380nm~720nm 범위이며, 550nm 부근에 감도 피크가 있어 실리콘 포토다이오드의 분광 감도 특성과는 차이가 있습니다.
따라서 실리콘 포토 다이오드의 출력을 그대로 밝기로 취급할 수 없습니다. 예를 들어, 근적외선이 많은 환경에서는 실리콘 포토 다이오드의 출력이 커지지만, 사람의 눈에는 보이지 않는 영역이기 때문에 밝게 느껴지지 않는 것입니다.
이러한 이유로 조도계 등의 센서로 사용하려면 사람의 눈의 감도 특성에 실리콘 포토다이오드의 분광 감도 특성을 맞춰야 합니다. 이때 실리콘 포토다이오드 표면에 시감도 보정 필터를 설치한 것이 사용됩니다.
또한, 실리콘 이외의 파장 용도에는 게르마늄이나 InGaAs가 사용되고 있습니다. 이는 밴드갭 에너지가 각각의 재료 물성값에 따라 다르기 때문이며, 특히 InGaAs는 1μm보다 긴 파장 용도에 적합한 재료입니다.