통신 애플리케이션용 광 다이오드의 설계 최적화 및 최신 동향

통신 애플리케이션용 포토 다이오드의 주요 특성

광 트랜시버에 사용되는 통신 애플리케이션용 광 다이오드는 각 애플리케이션과 목적에 최적화된 재료와 구조를 갖춘 설계가 필요합니다. 이 기사에서는 이러한 설계의 기본 사항에 대해 설명합니다.
포토다이오드 성능은 주로 암전류, 응답성, 커패시턴스 및 대역폭에 의해 결정됩니다. 먼저 포토다이오드 설계의 기본 구성 요소에 대해 설명하겠습니다. 실제 설계에서는 이러한 상충되는 성능 요소 간의 원하는 균형에 도달하기 위해 절충안이 이루어져야 한다는 점에 유의해야 합니다.

• 암전류(기호: I _d)
  암전류는 광 다이오드에 빛이 떨어지지 않을 때 발생하는 작은 전류입니다. 주로 열 또는 누설 전류로 인해 발생하며, 노이즈의 주요 원인이며 디바이스 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 암전류는 신호 대 잡음비에 직접적인 영향을 미치기 때문에 암전류 레벨을 최소화해야 합니다. 재료 선택, 제조 공정 최적화, 낮은 작동 온도 등을 통해 암전류를 줄일 수 있지만 응답성과는 상충되는 부분이 있으며 암전류가 작은 설계는 응답성도 떨어집니다. 암전류는 높은 응답성과 낮은 노이즈가 필요한 사용 사례에서 특히 중요한 파라미터이며 디바이스 품질과 성능을 나타내는 지표로 사용됩니다.
  
• 응답성(기호: R)
  포토다이오드의 반응성은 입사광의 강도에 대한 전류 출력의 비율입니다. 고응답성 장치는 약한 빛에서도 큰 전류를 생성하지만 소음도 증가할 수 있습니다. 따라서 특정 사용 사례에 대해 적절한 수준의 응답성을 선택하는 것이 중요합니다. 특히, PIN 광 다이오드의 응답성과 대역폭 사이에는 상충 관계가 있습니다. 고응답성 설계는 약한 신호를 감지하는 데 적합하지만, 빠른 응답이 필요한 상황에서는 응답성과 대역폭의 균형을 맞춰야 합니다. 반응성 설계는 응용 프로그램의 요구 사항에 따라 적절하고 신중하게 수행되어야 합니다.
  
• 커패시턴스(기호: C, Cs, Cp)
  포토 다이오드의 커패시턴스는 장치 내에 전하를 저장하는 능력입니다. 이 매개변수는 응답 속도와 반응성에 큰 영향을 미칩니다. 커패시턴스가 높으면 응답 속도가 느려지지만, 커패시턴스가 낮으면 응답성이 저하될 수 있습니다. 빠른 응답 속도가 필요한 애플리케이션의 경우 정전 용량을 낮게 유지하는 것이 중요하지만 응답 속도와의 균형을 신중하게 고려해야 합니다. 포토다이오드 정전 용량은 장치의 광 흡수층 폭과 조리개 크기에 영향을 받습니다. 커패시턴스는 대역폭 계산에도 사용되며, 측정된 값을 사용하여 대역폭을 추정할 수 있습니다.
  
• 대역폭(기호: BW)
  광다이오드의 대역폭은 광다이오드가 전기 신호로 변환할 수 있는 빛의 주파수 범위입니다. 대역폭이 높을수록 신호 변화에 대한 응답 속도가 빨라집니다. 이는 고속 동작을 가능하게 하지만, 지나치게 높은 대역폭은 성능의 다른 측면에 영향을 미칠 수 있습니다. 광통신 시스템에서는 다른 구성 요소와의 일관성이 중요하며, 전체 시스템의 요구에 따라 적절한 대역폭을 선택해야 합니다. PIN 광다이오드에서는 대역폭과 응답성 사이에 상충 관계가 있으므로, 애플리케이션에 따라 대역폭과 응답성 간의 균형을 맞추는 것이 중요합니다. 적절한 대역폭 설계는 시스템의 성능과 신뢰성을 최적화하는 데 중요한 요소입니다.

가속화를 위한 설계 최적화 포인트

여기에서는 광 다이오드 설계 최적화의 핵심 사항에 대해 설명합니다.
먼저 대역폭과 커패시턴스의 관계를 살펴보겠습니다. 광 다이오드의 대역폭이 높을수록 더 빠르게 작동할 수 있습니다. 그렇다면 대역폭을 늘리려면 커패시턴스를 어떻게 설계해야 할까요? 이는 아래 공식에 나와 있습니다.

대역폭 F는 대역폭 Fcr(커패시턴스 C 및 저항 R에서 파생됨) 및 대역폭 Fv(광 다이오드의 캐리어가 전류로 흘러나오는 데 걸리는 시간 "t"에서 파생됨)를 기반으로 계산됩니다.

이러한 수식은 고속 설계를 위한 다음 두 가지 핵심 사항을 보여 줍니다.
・ 커패시턴스 C 낮추기
・캐리어 운송 시간 단축 t
포토다이오드 설계에서는 이러한 값을 최적화하는 것이 중요합니다.

다음으로 커패시턴스 C를 낮추는 방법을 살펴보겠습니다.
PIN 광 다이오드 장치의 커패시턴스는 활성 영역의 PIN 접합의 두께와 모양에 따라 달라집니다.

위의 그래프는 장치 커패시턴스를 기반으로 계산된 대역폭의 예를 보여줍니다. PIN 포토다이오드에서 기본 활성 영역(I-layer)이 두꺼워질수록 P-layer와 N-layer 사이의 거리가 커집니다. 이렇게 하면 저장할 수 있는 전하의 양이 줄어들어 광 다이오드의 정전 용량이 낮아집니다. 커패시턴스가 낮아지면 대역폭이 증가합니다. 대역폭은 장치가 효과적으로 작동할 수 있는 주파수 범위입니다.

왜 용량이 줄어들면 대역폭이 증가하는가? 그것은 양동이의 물을 출입하는 것을 상상할 때 이해하기 쉽습니다. 용량이 큰(큰 양동이)와 물의 출입에 시간이 걸립니다만, 용량이 작은(작은 양동이)와 물의 출입(신호의 변화)에 신속하게 대응할 수 있습니다. 이것은 더 빠른 신호의 변화를 처리할 수 있음을 의미하며, 그 때문에 대역폭이 커지는 것입니다.

캐리어의 주행 시간 t를 줄이려면

다음으로 PIN 포토 다이오드에서 캐리어 통과 시간 t를 어떻게 단축할 수 있을까요?
캐리어 통과 시간 t는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.

• d: InGaAs 층 두께(캐리어의 주행 거리)
• v _d: 캐리어의 주행 속도(주행 속도는 논문 등에서 이론치를 사용)

이 식에서 "캐리어의 주행 거리인 I층을 얇게 한다"는 것으로, 캐리어의 주행 시간을 짧게 할 수 있는 것을 알 수 있습니다.

한편, 주행 시간 t와 대역폭은 반비례 관계에 있습니다.
다음 그래프는 캐리어의 주행 시간으로부터 대역폭을 계산한 예를 보여줍니다.

수광부 두께가 얇아지는(캐리어의 주행 시간이 짧아짐)에 따라 대역폭이 증가하고 있는 것을 알 수 있습니다. 그 이유는 앞의 버킷의 예로 나타낸 바와 같이, 전자나 정공의 이동에 시간이 걸리게 되어, 주파수의 변화에 추종할 수 있는 스피드가 느려지기 때문입니다.

감도와 대역폭의 관계

다음으로 감도와 대역폭의 관계를 살펴 보겠습니다.

응답성과 대역폭은 포토다이오드 설계에서 매우 중요한 요소입니다. 둘 사이에는 트레이드 오프가 있어 디자이너가 신중한 균형을 찾아야 합니다.
반응성을 높이기 위해 광 흡수 층이 더 두꺼워집니다. 이를 통해 더 많은 빛을 포착하고 더 많은 전기 신호로 변환할 수 있습니다.

그러나, 광 흡수층을 두껍게 하면, 생성된 전자나 정공(캐리어)이 이동하는 거리가 길어진다. 이 이동 시간의 증가는 대역폭 (신호의 변화에 대한 응답 속도)을 제한합니다.

설계자는 이러한 소자를 조정하여 의도한 응용 분야에 맞게 광 다이오드를 최적화해야 합니다. 약한 빛 감지가 중요할 때 응답성을 우선시하고 고속 통신을 위해 대역폭을 강조할 수 있습니다.

위에서 볼 수 있듯이 포토다이오드의 다양한 요소는 밸런스 스케일의 끝과 같아서 한쪽을 올리면 다른 쪽이 내려갑니다. 광 다이오드 설계의 핵심은 이러한 트레이드 오프를 고려하고 특정 응용 분야에 대한 최적의 균형을 찾는 것입니다.

Dexerials Group은 수년 동안 자외선, 적외선, 가시광선을 포함한 다양한 파장의 포토다이오드를 개발, 제조 및 판매해 왔습니다. 풍부한 경험을 활용하여 귀하의 요구에 맞는 최적의 포토다이오드를 선택할 수 있도록 언제든지 당사에 문의하십시오.
포토다이오드 선택 방법에 대한 자세한 내용은 이 문서를 참조하십시오.