세 가지 유형의 포토 다이오드와 그 구조 및 작동 원리

세 가지 유형의 포토 다이오드와 그 중에서 선택하는 방법

포토다이오드는 빛을 전기 신호로 변환하는 반도체 소자입니다. 빛에 반응하거나 빛의 강도를 측정하는 센서, DVD와 같은 광디스크용 레이저 픽업, 광통신의 광신호 감지 등 광전 변환이 필요한 다양한 용도로 사용됩니다. 광다이오드에는 구조와 작동 원리가 다른 세 가지 주요 유형이 있습니다: PN 광다이오드, PIN 광다이오드 및 애벌랜치 광다이오드(APD). 이 기사에서는 각각의 구조와 특성에 대해 설명합니다.

포토다이오드에 대해 논의할 때 자주 등장하는 세 가지 핵심 용어인 감광성, 암전류(잡음) 및 응답 속도부터 시작하겠습니다.

광감도는 광전 다이오드가 얼마나 효율적으로 빛을 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있는지를 나타냅니다. 광감도가 높을수록 생성되는 전류도 커집니다.

암전류는 빛이 없을 때에도 포토다이오드를 통해 흐르는 작은 전류입니다. 이는 외부 열로 인해 자연적으로 발생하는 운반체(전자 및 정공)와 결정 결함 및 불순물로 인한 전자의 여기로 인해 발생합니다. 암전류 발생은 측정 정밀도와 감도를 감소시키는 센서 노이즈를 생성하므로 가능한 한 억제해야 합니다.

응답 속도는 빛이 포토다이오드로 들어가는 지점부터 전류가 생성되어 흘러나올 때까지의 시간 간격으로 표시되는 경우가 많습니다.  장치 내 공핍층의 두께, 역 바이어스 전압의 크기, 장치 면적 및 작동 온도와 같은 다양한 요인이 응답 속도에 영향을 미칩니다. 이러한 요인으로 인해 전자가 반도체 내부에서 이동하는 속도가 변경됨에 따라 응답 속도도 변경됩니다.

PN 광 다이오드, PIN 광 다이오드 및 애벌런치 광 다이오드(APD)는 특성이 다르므로 응용 분야에 따라 유형을 선택해야 합니다.

PN 포토 다이오드의 구조와 작동 원리

아래에서는 각 유형의 포토다이오드의 구조와 작동 원리에 대해 설명합니다.

PN 포토다이오드는 기본 구조를 가진 포토다이오드입니다. 그들은 광전지와 유사하게 양쪽 끝에 전극으로 결합된 p형 반도체와 n형 반도체로 구성됩니다.

PN 포토다이오드는 다음과 같이 작동합니다: 두 가지 다른 유형의 반도체가 결합되어 PN 반도체를 형성할 때 과도한 전자는 n형 반도체에서 p형 반도체로 이동하여 정공으로 결합합니다. 결과적으로 공핍층이라고 하는 영역이 PN 접합부 근처에 형성됩니다. 공핍층에서 n형 쪽은 양전하를 띠고 p형 쪽은 음전하를 띱니다. 공핍층의 전하 불균형은 내부 전기장을 생성합니다. 이 전기장은 PN 포토다이오드가 외부 전압을 인가하지 않고 작동할 수 있도록 합니다.

위의 다이어그램에서 볼 수 있듯이 빛이 PN 포토다이오드의 공핍층으로 들어가면 빛 에너지가 전자-정공 쌍을 생성합니다. 내부 전기장으로 인해 전자는 n형 반도체 측의 전극 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체 측의 전극 쪽으로 이동합니다. 이러한 전자와 정공의 흐름은 빛이 가해지는 한 계속됩니다.

PN 포토다이오드의 간단한 구조는 제조 용이성, 저렴한 비용 및 안정적인 작동의 이점을 제공합니다. 응답 속도는 느리지만 암전류는 낮습니다. 결과적으로, 그들은 광도 측정에 널리 사용됩니다.

PIN 포토 다이오드의 구조 및 작동 원리

PIN 포토다이오드는 기존의 PN 포토다이오드보다 개선된 구조의 광 감지 장치입니다. 이름에서 알 수 있듯이 구조는 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에 순수 반도체의 본질(i형) 층을 포함합니다. 이 설계는 낮은 암전류를 유지하면서 빠른 응답 속도와 높은 감도를 달성합니다.
기존의 PN 포토다이오드에서 빛은 주로 p형 층과 n형 층의 접합부 근처에 자연적으로 형성되는 좁은 공핍층에서 흡수됩니다. 반면에 PIN 포토 다이오드에서는 이러한 역할을 수행하기 위해 넓은 i-type 층이 의도적으로 도입되었습니다. 이 i형 층은 전자나 정공이 거의 없는 순수한 반도체로 구성되어 빛을 효율적으로 흡수할 수 있습니다.

PIN 포토다이오드가 작동하는 동안 역 바이어스 전압이 i-type 레이어에 적용됩니다. 이것은 i-type 층 내에서 강한 전기장을 형성합니다. 빛이 i형 층에 부딪히면 광자 에너지가 전자-정공 쌍을 생성합니다. 생성된 전자와 정공은 강한 전기장의 영향으로 인해 고속으로 움직입니다. 구체적으로 말하자면, 전자는 n형 층의 전극 쪽으로 이동하고 정공은 p형 층의 전극 쪽으로 이동합니다. 이 고속 이동은 강한 전류를 생성합니다.
PIN 포토다이오드의 주요 장점은 높은 응답 속도, 높은 감도 및 낮은 암전류입니다. 높은 응답 속도는 강한 전기장으로 인한 고속 캐리어 이동의 결과이며, 높은 감도는 두꺼운 i-type 층에서 효율적인 광 흡수의 결과입니다. i-type 층의 낮은 캐리어 농도는 낮은 암전류에도 기여합니다.

이러한 특성 덕분에 PIN 포토다이오드는 다양한 고성능 애플리케이션에 널리 사용됩니다. 특히 고속 데이터 전송이 필요한 광통신 수신기, 약한 신호 감지가 필요한 의료 영상 장치 등에서 중요한 역할을 합니다.

애벌랜치 포토다이오드(APD)의 구조 및 작동 원리

애벌런치 포토다이오드는 기존 광 다이오드보다 훨씬 더 높은 성능을 가진 고성능 광 감지 장치입니다. 그들의 주요 특징은 내부 광전자 증식 효과로 인한 높은 감도입니다. 따라서 약한 광 신호를 감지하는 데 특히 적합합니다.
APD 구조는 표준 PN 또는 PIN 포토다이오드보다 더 복잡하며, 주로 p형 반도체로 구성된 다층 구조를 특징으로 합니다. 구체적으로 말하자면, 세 개의 레이어(p+, p- 및 p)가 있으며 각각 고유한 역할을 합니다. p+ 층은 캐리어 농도가 높은 반면 p- 층은 상대적으로 캐리어 농도가 낮습니다. 이러한 구조적 특성으로 인해 APD의 고유한 작동이 가능합니다.
APD의 작동 원리는 눈사태 곱셈으로 알려진 현상을 기반으로 합니다. 프로세스는 다음과 같습니다.

1. 빛 흡수: p-층이 빛을 흡수하여 전자와 홀 쌍을 생성합니다.
2. 전자의 가속: 생성된 전자는 강한 전계에 의해 p층을 향해 가속한다.
3. 전자 충돌: 가속된 전자가 반도체의 원자와 충돌하여 새로운 전자-홀 쌍을 생성합니다.
4. 연쇄 증배 : 생성 된 전자도 다시 가속되어 추가 충돌과 전자 - 홀 쌍의 생성을 유발합니다.
5. 전자 눈사태: 이 연쇄 반응은 전자와 구멍의 수를 눈사태(애벌란시)처럼 증가시킵니다.

이 전자 눈사태는 APD에 매우 높은 감도를 제공합니다. 약한 빛 신호도 크게 증폭되어 감지할 수 있는 강한 전류를 생성합니다.
APD가 작동하려면 고전압이 필요합니다. 각 층의 전기장은 균일하지 않으며, p형 층을 얇게 만들면 공핍 층에 큰 전기장 구배가 생깁니다. 이 강한 전기장 구배는 효율적인 전자 애벌랜치를 가능하게 합니다.

뛰어난 성능으로 인해 APD는 광통신 수신기, 저조도 환경에서의 천체 관측, 고감도가 필요한 과학 기기 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 특히 약한 빛의 신호를 감지해야 할 때 그 진가를 발휘합니다.
하지만 APD를 사용할 때에도 어려움이 있습니다. 복잡한 구조와 고전압 작동 요구 사항으로 인해 제조 비용이 높아 다른 유형의 포토 다이오드에 비해 가격이 비쌉니다. 또한 적절한 작동을 위해서는 온도 제어 및 정밀한 전압 제어와 같은 전문적인 취급이 필요합니다.

APD는 고성능을 제공할 수 있지만 고도의 전문 지식과 적절한 작동 환경이 필요합니다. 그럼에도 불구하고 뛰어난 감도는 많은 첨단 애플리케이션에서 필수 불가결한 요소이며 광학 공학 기술 발전에 기여하고 있습니다.