포토다이오드

Photodiode
포토다이오드
Fotodio.jpg
1Ge(위) 및 3Si(아래) 포토다이오드
유형패시브, 다이오드
작동 원리빛을 전류로 변환합니다.
핀 구성양극과 음극
전자 기호
IEEE 315-1975 (1993) 8.5.4.1.svg

포토다이오드는 감광성 반도체 [1]다이오드입니다.광자를 흡수할 때 전류를 발생시킵니다.

포토다이오드 패키지는 빛(적외선 또는 자외선, X선)이 장치의 민감한 부분에 도달하도록 합니다.패키지에는 렌즈 또는 광학 필터가 포함될 수 있습니다.포토다이오드로 특별히 사용하도록 설계된 장치는 응답 속도를 높이기 위해 p-n 접합이 아닌 PIN 접합을 사용합니다.포토 다이오드는 일반적으로 표면적이 증가함에 따라 반응 시간이 느려집니다.포토다이오드는 [2]역바이어스로 동작하도록 설계되어 있습니다.태양광 발전을 위해 사용되는 태양전지는 광역 포토다이오드이다.

광다이오드는 과학 및 산업 기구에서 빛의 강도를 측정하기 위해 사용되며, 그 자체 또는 다른 특성(예를 들어 연기 밀도)의 측정으로 사용됩니다.포토다이오드는 가정용 리모컨과 같이 적외선 빔에 부호화된 데이터의 수신기로 사용할 수 있다.포토 다이오드를 사용해 광커플러를 형성할 수 있습니다.이것에 의해, 회로간에 직접 금속 접속 없이 신호를 송신할 수 있어 고전압의 차이로부터 격리할 수 있습니다.


작동 원리

포토다이오드는 PIN 구조 또는 p-n 접합부입니다.충분한 에너지의 광자가 다이오드와 충돌하면 전자-공 쌍이 생성됩니다.이 메커니즘은 내부 광전 효과로도 알려져 있습니다.흡수가 접합부의 고갈 영역 또는 그 확산 길이에서 1개 떨어진 곳에서 발생하면 이들 캐리어는 고갈 영역의 내장 전계에 의해 결합부에서 스위프된다.따라서 구멍은 양극으로 이동하고 전자는 음극으로 이동하며 광전류가 생성됩니다.포토 다이오드를 통과하는 총 전류는 다크 전류(빛이 없을 때 발생하는 전류)와 광전류의 합계이므로 장치의 [3]감도를 최대화하기 위해 다크 전류를 최소화해야 합니다.

우선 주어진 스펙트럼 분포에 대해 광전류는 방사 [4]강도에 선형 비례한다.


태양광 발전 모드

포토다이오드의 I-V 특성.선형 부하 라인은 외부 회로의 응답을 나타냅니다.I=(적용 바이어스 전압-다이오드 전압)/총 저항.곡선과의 교차점은 주어진 바이어스, 저항 및 조명에 대한 실제 전류 및 전압을 나타냅니다.

태양광 발전 모드(제로 바이어스)에서는 광전류가 음극 측 단락을 통해 양극으로 흐릅니다.회로가 개방되어 있거나 부하 임피던스가 있어 장치로부터의 광전류를 제한하면 다이오드를 전진 바이어스하는 방향, 즉 음극에 대해 양극이 양의 방향으로 전압이 증가한다.회로가 단락되거나 임피던스가 낮으면 순방향 전류가 광전류의 전부 또는 일부를 소비합니다.이 모드는 태양 전지의 기초가 되는 광전 효과를 이용합니다.기존의 태양 전지는 단지 넓은 영역의 포토 다이오드입니다.최적의 출력을 위해 광전지는 광전류에 [4]비해 소량의 순방향 전류만 발생시키는 전압으로 동작합니다.

광전도 모드

광전도 모드에서는 다이오드가 역바이어스, 즉 양극에 대해 음극 구동 정극으로 바이어스됩니다.이는 추가적인 역바이어스가 고갈층의 폭을 증가시켜 접합부의 정전용량을 감소시키고 전자를 빠르게 수집할 수 있는 전계 영역을 증가시키기 때문에 응답 시간을 단축합니다.또한 역편향은 광전류의 큰 변화 없이 암전류를 생성합니다.

이 모드는 더 빠르지만 광전도 모드는 암전류 또는 눈사태 [5]효과로 인해 더 많은 전자 노이즈를 나타낼 수 있습니다.양호한 PIN 다이오드의 누출 전류는 매우 낮기 때문에(<1nA), 일반 회로의 부하 저항의 존슨-나이키스트 노이즈가 대부분을 차지합니다.

관련 장치

아발란체 포토다이오드는 높은 역바이어스 동작에 최적화된 구조로 역파괴전압에 근접한 포토다이오드입니다.이를 통해 각 광생성 캐리어를 눈사태 파괴에 의해 증배하여 포토다이오드 내에서 내부 이득을 얻을 수 있으며,[6] 이 결과 장치의 유효 응답성이 향상됩니다.

포토 트랜지스터용 전자 기호

포토 트랜지스터는 감광 트랜지스터입니다.광트랜지스터의 일반적인 유형인 바이폴라 광트랜지스터는 본질적으로 빛이 베이스-콜렉터 접합부에 도달할 수 있도록 투명한 케이스에 둘러싸인 바이폴라 트랜지스터입니다.그것은 존 N 박사에 의해 발명되었다. 1948년 벨[7]: 205 연구소에서 샤이브(파도 기계로 더 유명)를 발표했지만 [8]1950년까지 발표되지 않았다.베이스-콜렉터 접합부의 광자에 의해 생성된 전자는 베이스에 주입되며, 이 포토다이오드 전류는 트랜지스터의 전류 이득β(또는fe h)에 의해 증폭된다.베이스 및 콜렉터 리드를 사용하고, 이미터를 접속하지 않은 채로 두면, 포토 트랜지스터는 포토 다이오드가 됩니다.포토 트랜지스터는 빛에 대한 응답성은 높지만 낮은 수준의 빛은 포토 다이오드보다 [citation needed]더 잘 검출할 수 없습니다.포토 트랜지스터는 응답 시간도 상당히 길다.또 다른 유형의 포토 트랜지스터인 전계효과 포토 트랜지스터(포토 FET라고도 함)는 빛에 민감한 전계효과 트랜지스터입니다.광섬유 트랜지스터와 달리 포토FET는 게이트 전압을 생성하여 드레인 소스 전류를 제어합니다.

솔라리스터는 2단자 게이트리스 포토 트랜지스터입니다.ICN2 연구진은 2018년 2단자 포토 트랜지스터 또는 솔라리스터의 콤팩트한 클래스를 시연했습니다.이 새로운 개념은 광생성 [9]운반체의 흐름에서 멤저항 효과를 이용하여 태양 에너지로 작동하는 투인원 전원 플러스 트랜지스터 소자이다.

자재

광다이오드를 만드는 데 사용되는 재료는 재료의 밴드갭에서 전자를 자극하기에 충분한 에너지를 가진 광자만이 상당한 광전류를 생성하기 때문에 그 특성을 정의하는 데 중요합니다.

포토 다이오드를 만드는 데 일반적으로 사용되는 재료가 [10]아래 표에 나열되어 있습니다.

재료. 전자기 스펙트럼
파장 범위(nm)
실리콘 190–1100
게르마늄 400–1700
비화인듐갈륨 800–2600
황화납(II) 1000~3500 미만
텔루화 수은 카드뮴 400–14000

밴드갭이 크기 때문에 실리콘 기반의 포토다이오드는 게르마늄 기반의 포토다이오드보다 노이즈가 적다.

포토다이오드 [11]생산의 신소재로 떠오른 것은 MoS2, 그래핀 등 바이너리 소재다.

원치 않는 포토다이오드 효과

모든 p-n 접합부는 조명이 켜지면 잠재적으로 포토다이오드이다.다이오드, 트랜지스터 및 IC와 같은 반도체 장치는 p-n 접합부를 포함하고 있으며 광전류를 [12][13]생성하기에 적합한 파장의 원치 않는 전자파 복사(빛)에 의해 조명되면 올바르게 작동하지 않습니다.이는 불투명한 하우징에 장치를 캡슐화함으로써 방지됩니다.이러한 하우징이 고에너지 방사선(자외선, X선, 감마선)에 완전히 불투명하지 않으면 유도 광전류로 인해 다이오드, 트랜지스터 및 IC가 오작동할[14] 수 있습니다.포장에서 나오는 백그라운드 방사선도 중요하다.[15]방사선 경화는 이러한 영향을 완화시킨다.

경우에 따라서는 LED를 빛에 민감한 디바이스(LED를 광센서로 참조) 또는 에너지 수집(LED라고도 함)[16]에 사용하는 등 실제로 그 효과가 실제로 필요한 경우도 있습니다.

특징들

실리콘 광다이오드의 응답 대 입사광의 파장

포토다이오드의 중요한 성능 파라미터에는 스펙트럼 응답성, 암전류, 응답시간 및 소음 등가전력이 포함된다.

스펙트럼 응답성
스펙트럼 응답성은 입사 광전류에 대한 발생 광전류의 비율로, 광전도 모드에서 사용할 경우 A/W로 표시된다.파장 의존성은 양자 효율 또는 단위 없는 광자에 대한 광생성 캐리어 수의 비율로 표현될 수도 있다.
암전류
어두운 전류는 광전도 모드에서 작동할 때 빛이 없을 때 포토다이오드를 통과하는 전류입니다.암전류에는 백그라운드 방사선에 의해 발생하는 광전류와 반도체 접합부의 포화전류가 포함됩니다.정확한 광파워 측정을 위해 포토다이오드를 사용하는 경우 암전류를 보정해야 하며, 광통신 시스템에서 포토다이오드를 사용하는 경우 소음원이 되기도 합니다.
응답시간
응답 시간은 검출기가 광학적 입력에 응답하는 데 필요한 시간입니다.반도체 물질에 흡수된 광자는 전자-공 쌍을 생성하며, 전자-공 쌍은 전계의 영향을 받아 물질 내에서 이동하기 시작하여 전류를 발생시킨다.이 전류의 유한한 지속 시간은 통과 시간 확산으로 알려져 있으며 라모의 정리를 사용하여 평가할 수 있습니다.또한 이 정리를 통해 외부 회로에서 발생하는 총 전하가 2개의 캐리어의 존재로 예상할 수 있는 2e가 아니라 e라는 것을 증명할 수 있다.실제로, 시간의 경과에 따른 전자와 구멍으로 인한 전류의 적분은 e와 같아야 합니다.포토다이오드 및 외부 회로의 저항과 캐패시턴스는 RC 시간 상수( \ \라고 하는 또 다른 응답 시간을 발생시킵니다.R과 C의 이러한 조합은 시간이 지남에 따라 광반응을 통합하고, 따라서 광다이오드의 임펄스 응답을 연장시킨다.광통신 시스템에서 사용되는 경우 응답 시간에 따라 신호 변조 및 데이터 전송에 사용할 수 있는 대역폭이 결정됩니다.
소음 등가 전력
노이즈 등가전력(NEP)은 광전류를 생성하기 위한 최소 입력 광전력으로, 1Hz 대역폭의 rms 노이즈 전류와 동일합니다.NEP는 기본적으로 감지 가능한 최소 전력입니다.관련 특성 검출성( D은 NEP(1/NEP)의 역수이며, 특정 검출성( display{ D})은 광검출기(D D의 면적 제곱근({\A에 곱한 검출성입니다.1Hz 대역폭의 경우).특정 탐지 기능을 사용하면 센서 영역 및 시스템 대역폭에 관계없이 서로 다른 시스템을 비교할 수 있습니다. 탐지 값이 높을수록 노이즈가 적은 장치 또는 [17]시스템을 나타냅니다.다이오드의 품질을 측정하는 많은 카탈로그에서 ( \ ^{ \ star )를 표시하는 것이 일반적이지만 실제로는 주요 파라미터가 되지 않습니다.

광통신 시스템에서 포토다이오드를 사용할 경우 이들 파라미터는 모두 수신기가 지정된 비트오류율을 달성하기 위해 필요한 최소 입력전력인 광수신기의 감도에 기여합니다.

적용들

P-n 광다이오드는 광전도체, 전하결합소자(CCD) 및 광전자 증배관과 같은 다른 광검출기와 유사한 용도로 사용된다.조도에 따라 달라지는 출력을 생성하거나(측정용 아날로그), 회로 상태를 변경하는 데 사용할 수 있습니다(제어 및 스위칭 또는 디지털 신호 처리용 디지털).

포토다이오드는 콤팩트 디스크 플레이어, 연기 감지기, 의료기기[18] 및 TV에서 에어컨까지 장비를 제어하는 데 사용되는 적외선 원격 제어 장치용 수신기와 같은 가전 기기에 사용됩니다.대부분의 경우 광다이오드 또는 광전도체를 사용할 수 있습니다.어느 타입의 포토센서는, 카메라 광도 미터등의 광도 측정이나, 어두워진 후의 가로등 점등등의 광도 레벨에의 응답에 사용할 수 있습니다.

모든 유형의 광센서는 입사광 또는 동일한 회로 또는 시스템의 일부인 광원에 응답하기 위해 사용할 수 있습니다.광다이오드는 종종 빔에 대한 기계적 장애물의 존재를 감지하기 위해(슬롯 광스위치) 또는 종종 안전을 위해 두 개의 디지털 또는 아날로그 회로를 결합하기 위해 발광 다이오드(일반적으로 발광 다이오드)와 함께 하나의 컴포넌트로 결합됩니다.연결).LED와 포토다이오드의 조합은 광학적 흡광도를 바탕으로 다양한 유형의 제품을 특징짓기 위해 많은 센서 시스템에서 사용됩니다.

광다이오드는 과학 및 산업 분야에서 빛의 세기를 정확하게 측정하기 위해 종종 사용됩니다.일반적으로 광전도체보다 선형 반응을 보입니다.

또한 컴퓨터 단층촬영용 검출기(섬광기 결합), 검체 분석을 위한 기기(면역측정기), 펄스 산소측정기 등 다양한 의료 애플리케이션에도 널리 사용된다.

PIN 다이오드는 p-n 접합 다이오드보다 훨씬 빠르고 민감하기 때문에 광통신 및 조명 조절에 자주 사용됩니다.

P-n 광다이오드는 극도로 낮은 광 강도를 측정하는 데 사용되지 않습니다.대신 고감도가 필요한 경우 천문, 분광학, 야간 시야 장비 및 레이저 거리 측정과 같은 응용 분야에 눈사태 포토다이오드, 강화된 전하 결합 장치 또는 광전자 증배관을 사용한다.

광전자 증배기와의 비교

광전자 증배기와 [19]비교한 장점:

  1. 입사광의 함수로서 출력 전류의 선형성이 우수함
  2. 190nm~1100nm(실리콘)의 스펙트럼 응답으로 다른 반도체 재료와 함께 파장이 길다.
  3. 저소음
  4. 기계적 응력에 대한 내구성
  5. 저비용
  6. 콤팩트하고 가벼운 무게
  7. 긴 수명
  8. 일반적으로 60~80%[20]의 높은 양자 효율
  9. 고전압 불필요

광전자 증배기와 비교한 단점:

  1. 좁은 영역
  2. 내부 이득 없음(눈사태 광다이오드는 제외하지만 일반적으로2 광전자 증배관의 10-10과58 비교하여 10-10이다3.)
  3. 전체적인 감도 대폭 저하
  4. 특수한 전자회로가 있는 특수 설계, 보통 냉각된 포토다이오드에서만 광자계수가 가능
  5. 많은 설계에서 반응 시간이 느립니다.
  6. 잠재 효과

핀형 포토다이오드

PIN 포토 다이오드와 혼동하지 마십시오.

핀드포토다이오드(PPD)는 P형 또는 N형(각각) 기판층 위에 각각 N형 또는 P형 확산층에 얕은 임플란트(P+ 또는 N+)를 가지며, 중간 확산층이 양극 접합 트랜지스터의 베이스 영역과 같이 다수의 캐리층을 완전히 고갈시킬 수 있다.PPD(통상 PNP)는 CMOS 액티브픽셀 센서에서 사용됩니다.클럭 탑N 레이어를 가진 전구체 NPN 배리언트는 1975년 CCD 이미지 센서에서 사용하기 위해 Sony에서 개발되었습니다.

초기 충전 커플링 장치 이미지 센서는 셔터 지연에 시달렸습니다.이것은 핀으로 고정된 포토다이오드의 [21]발명으로 대부분 해결되었다.그것은 [21][22]1980년 NEC에서 테라니시 노부카즈, 시라키 히로미츠, 이시하라 야스오에 의해 발명되었다.그들은 신호 캐리어가 포토다이오드에서 CCD로 전송될 수 있다면 지연을 제거할 수 있다는 것을 인식했습니다.이로 인해 그들은 낮은 지연, 낮은 노이즈, 높은 양자 효율 및 낮은 [21]암전류를 가진 광검출기 구조인 핀형 포토다이오드를 발명하게 되었다.데라니시씨와 이시하라씨가 A씨와 함께 처음으로 공개 보고했습니다.코호노, E. 오다, K.1982년 아라이에 방화 구조물이 [21][23]추가되었다.NEC에서 발명된 새로운 광검출기 구조는 B.C.에 의해 "핀형 포토다이오드(PPD)"라는 이름을 얻었다.1984년 코닥에서 버키.1987년, PPD는 대부분의 CCD 센서에 통합되기 시작했고, 소비자 전자 비디오 카메라와 디지털 스틸 [21]카메라의 고정 장치가 되었습니다.

1994년 에릭 포섬은 NASA 제트추진연구소(JPL)에서 일하던 중 CMOS 센서의 개선점, 즉 핀으로 고정된 포토다이오드의 통합을 제안했다.PPD 기술을 탑재한 CMOS 센서는 1995년 P.P.K.와 함께 포섬을 포함한 JPL과 코닥의 공동팀에 의해 처음 제작되었다.리, R.C. 지, R.M. Guidash, T.H. 리.이후 PPD는 거의 모든 CMOS 센서에서 사용되고 있습니다.PPD 기술이 적용된 CMOS 센서는 1997년 R.M. Guidash, K. Yonemoto 및 H에 의해 더욱 발전되고 개량되었습니다.2000년 수미, 그리고 저.2003년 이노우에.그 결과 CMOS 센서는 CCD 센서와 동등한 이미징 퍼포먼스를 실현하고 나중에는 CCD [21]센서를 웃돌았습니다.

포토다이오드 어레이

200개 이상의 다이오드가 중앙에 걸쳐 있는 1차원 포토 다이오드 어레이 칩
4×4픽셀의 2차원 포토다이오드 어레이가 첫 번째 광학 마우스 센서 칩의 좌측을 차지한다(1982년).

위치 센서로서 예를 들면 각도 센서의 [24]일부로서 수백 또는 수천개의 포토 다이오드의 1차원 어레이를 사용할 수 있다.2차원 배열은 이미지 센서 및 광학 마우스에서 사용됩니다.

일부 응용 프로그램에서는 CCD(Charge-Coupled Device) 또는 CMOS 센서와 같이 스캔 전자 장치를 통합하는 것이 아니라 포토 다이오드 어레이를 통해 고속 병렬 판독이 가능합니다.사진의 광학 마우스 칩은 4 × 4 어레이의 16개의 포토 다이오드 모두에 병렬(멀티플렉스 없음)로 액세스 할 수 있습니다.

패시브 픽셀 이미지 센서

패시브 픽셀 센서(PPS)는 포토 다이오드 어레이의 일종입니다.Active-Pixel Sensor(APS;[21] 액티브픽셀 센서)의 전조가 되었습니다.패시브 픽셀 센서는 증폭 없이 판독되는 패시브 픽셀로 구성되며 각 픽셀은 포토다이오드와 MOSFET [25]스위치로 구성됩니다.포토다이오드 어레이에서 픽셀은 선택 트랜지스터로서 p-n 접합, 집적 캐패시터 및 MOSFET를 포함한다.G는 포토다이오드 어레이를 제안했다.1968년 [26]웨클러가 CCD보다 앞서서이것이 PPS의 [21]기초였다.

포토 다이오드 어레이의 노이즈가 퍼포먼스에 제약이 되는 경우가 있습니다.1970년대에는 마이크로 리소그래피 기술이 [26]제한적이었기 때문에 실질적인 픽셀 크기로 액티브 픽셀 센서를 제작할 수 없었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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