광 다이오드와 광 트랜지스터의 기본 사항과 활용법

인간의 시각을 사용하여 쉽게 해결할 수 있는 부류의 설계 문제가 있습니다. 프린터에서 용지의 적절한 위치를 감지한다고 가정해 보겠습니다. 인간은 정렬되었는지 쉽게 알 수 있지만 마이크로 프로세서는 확인하기 어렵습니다. 휴대폰의 카메라가 플래시를 켜야 하는지 결정하기 위해서는 주변 빛을 측정해야 합니다. 비침습적 방식으로 혈중 산소 수치를 어떻게 측정할 수 있을까요?

이러한 설계 문제의 해결책은 광 다이오드 또는 광 트랜지스터를 사용하는 것입니다. 광전자 장치는 빛(광자)을 전기 신호로 변환하여 마이크로 프로세서(또는 마이크로 컨트롤러)가 '볼' 수 있게 합니다. 이를 통해 물체의 위치와 정렬을 제어하고 광도를 알아내며 빛과의 상호 작용을 기반으로 소재의 물리적 속성을 측정할 수 있습니다.

이 기사에서는 광 다이오드와 광 트랜지스터의 작동 이론을 설명하고 설계자에게 응용 분야에 대한 기본 지식을 제공합니다. Advanced Photonix, Inc., Vishay Semiconductor Opto Division, Excelitas Technologies, Genicom Co., Ltd, Marktech Optoelectronics, NTE Electronics의 장치를 예로 선보입니다.

광 다이오드 및 광 트랜지스터에 일반적으로 사용되는 광학 스펙트럼

광 다이오드와 광 트랜지스터는 다양한 광학 파장에 민감합니다. 예를 들어 이는 인간의 눈에는 보이지 않는 작동을 고려하여 설계해야 하는 경우도 있습니다. 설계자는 장치를 응용 분야에 맞추기 위해 해당 광학 스펙트럼을 알고 있어야 합니다.

광학 스펙트럼은 더 긴 파장의 적외선(IR)에서 더 짧은 파장의 자외선(UV)까지 확장됩니다(그림 1). 가시광선의 파장은 그 사이에 있습니다.

그림 1: 전자기 스펙트럼의 일부인 광학 스펙트럼은 가시광선 스펙트럼을 사이에 두고 UV에서 IR까지 확장됩니다. 해당 표에는 가시광선 파장과 관련 주파수가 나열되어 있습니다. (이미지 출처: Once Lighting(위) 및 Art Pini(아래))

대부분의 광전자 장치는 나노미터(nm) 단위의 작동 파장을 사용하여 명시합니다. 주파수 값은 거의 사용하지 않습니다.

실리콘(Si) 광 다이오드는 가시광선에 민감한 경향이 있습니다. IR 감지 장치는 안티몬화 인듐(InSb), 인듐 갈륨 비소(InGaAs), 게르마늄(Ge) 또는 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe)를 사용합니다. UV에 민감한 장치는 일반적으로 실리콘 카바이드(SiC)를 사용합니다.

광 다이오드

광 다이오드는 투명한 몸체나 덮개를 통해 빛에 노출되는 2소자 PN 또는 PIN 접합 구조입니다. 빛이 접합에 닿으면 작동 모드에 따라 전류나 전압이 발생합니다. 광 다이오드는 적용된 바이어스에 따라 세 가지 모드로 작동합니다. 이들은 광발전, 광전도, 애벌런치 다이오드 모드입니다.

광 다이오드가 바이어스되지 않은 경우 광발전 모드로 작동하고 광원으로 조명하면 낮은 출력 전압을 생성합니다. 이 모드에서 광 다이오드는 태양광 전지처럼 작동합니다. 광발전 모드는 낮은 광도를 갖는 저주파(일반적으로 350kHz 미만) 응용 분야에 유용합니다. 출력 전압이 낮으며 대부분의 경우 광 다이오드 출력에는 증폭기가 필요합니다.

광전도 모드에서는 광 다이오드가 역방향 바이어스되어야 합니다. 인가된 역방향 바이어스는 PN 접합에서 공핍 영역을 생성합니다. 바이어스가 클수록 공핍 영역이 넓어집니다. 공핍 영역이 넓을수록 바이어스되지 않은 다이오드에 비해 정전 용량이 감소하여 응답 시간이 빨라집니다. 이 모드는 잡음 수준이 더 높으며 잡음을 제어하기 위해 대역폭 제한이 필요할 수 있습니다.

역방향 바이어스가 더 증가하면 광 다이오드는 애벌런치 다이오드 모드로 작동합니다. 이 모드에서 광 다이오드는 높은 역방향 바이어스 조건에서 작동하며 애벌런치 항복으로 인해 광자가 생성한 각 전자-정공 쌍이 크게 증가하게 됩니다. 그 결과 광 다이오드의 내부 이득이 생기고 감도가 높아집니다. 이 모드는 광전자 증배관과 유사한 기능입니다.

대부분의 응용 분야에서 광 다이오드는 역방향 바이어스를 사용하여 광전도 모드에서 작동합니다(그림 2).

그림 2: 역방향 바이어스 광 다이오드는 공핍 영역에서 전자-정공 쌍 생성으로 인해 광도에 비례하는 전류를 생성합니다. 파란색으로 채워진 원은 전자를 나타내고 흰색 원은 정공을 나타냅니다. (이미지 출처: Art Pini)

역방향 바이어스되고 조명이 없는 광 다이오드 접합에는 자유 캐리어가 거의 없는 공핍 영역이 있습니다. 이것은 충전된 커패시터처럼 보입니다. 열적으로 여기된 이온화로 인해 작은 전류가 발생하는데 이를 '암전류'라고 합니다. 이상적인 광 다이오드는 암전류가 0입니다. 암전류 및 열 잡음 수준은 다이오드의 온도에 비례합니다. 극도로 낮은 광 수준으로 인해 암전류가 광전류를 가릴 수 있으므로 암전류가 낮은 장치를 선택해야 합니다.

충분한 에너지를 가진 빛이 공핍층에 충돌하면 수정 구조의 원자를 이온화하고 전자-정공 쌍을 생성합니다. 바이어스로 인한 기존 전기장은 전자를 음극으로, 정공을 양극으로 이동시켜 광전류를 발생시킵니다. 광도가 높을수록 광전류가 증가합니다. 역방향 바이어스된 광 다이오드의 전류 전압 특성은 그림 3에 표시되어 있습니다.

그림 3: 역방향 바이어스된 광 다이오드의 전류 전압 특성 구성도는 광 수준과 상관관계에 있는 다이오드 전류의 점진적인 변화를 보여줍니다. (이미지 출처: Art Pini)

그래프는 광도를 하나의 파라미터로하고, 인가된 역방향 바이어스 전압에 대한 다이오드 역전류의 상관관계를 표시합니다. 광 수준이 증가하면 역전류 수준이 비례하여 증가합니다. 이것은 광도를 측정하기 위한 광 다이오드 사용의 기초입니다. 바이어스 전압이 0.5V보다 크면 광전류에 거의 영향을 미치지 않습니다. 트랜스 임피던스 증폭기에 역전류를 인가하여 전압으로 변환할 수 있습니다.

광 다이오드의 유형

다양한 광 검출 및 측정 응용 분야로 인해 다양하고 독특한 광 다이오드 유형이 생겨났습니다. 기본 광 다이오드는 평면 PN 접합입니다. 이 장치들은 바이어스되지 않은 광발전 모드에서 최고의 성능을 발휘합니다. 또한 가장 비용 효율이 높은 장치입니다.

Advanced Photonix, Inc.의 002-151-001은 평면 확산 InGaAs 광 다이오드 및 광 검출기의 한 예입니다(그림 4). 1.6mm x 3.2mm x 1.1mm 크기의 표면 실장 소자(SMD) 패키지로 출시되며, 지름 0.05mm의 능동 광학 애퍼처가 있습니다.

그림 4: 002-151-001은 1.6mm x 3.2mm x 1.1mm 크기의 평면 확산 PN SMD 광 다이오드입니다. 스펙트럼 범위는 800nm ~ 1700nm입니다. (이미지 출처: Advanced Photonix)

이 InGaAs 광 다이오드는 IR 스펙트럼을 포괄하는 800nm ~ 1700nm의 스펙트럼 범위를 가지고 있습니다. 암전류는 1nA 미만입니다. 특정 입사 광 전력 대비 출력 전류의 비를 지칭하는 스펙트럼 응답성은 일반적으로 1A/W입니다. 산업용 감지, 보안, 통신을 포함한 응용 분야에 사용됩니다.

기존 다이오드의 P형 층과 N형 층 사이에 저항성이 우수한 고유 반도체 층을 삽입하여 PIN 다이오드를 형성하며, 따라서 이름도 구조를 반영한 PIN입니다.

고유 층 삽입은 다이오드 공핍층의 유효 폭을 넓히므로 정전 용량이 낮아지고 항복 전압이 높아집니다. 낮은 정전 용량은 광 다이오드의 속도를 효과적으로 증가시킵니다. 공핍 영역이 넓을수록 광자에 의해 유도된 전자-정공 생성이 증가하고 양자 효율이 높아집니다.

Vishay Semiconductor Opto Division의 VBP104SR은 430nm ~ 1100nm(보라색부터 근적외선까지)의 스펙트럼 범위를 포괄하는 실리콘 PIN 광 다이오드입니다. 일반적인 암전류는 2nA이고 4.4mm²의 넓은 광학적으로 민감한 영역을 가지고 있습니다(그림 5).

그림 5: Vishay VBP104SR은 고속 사진 검출용으로 설계된 대형 광학 감지 창이 있는 PIN 광 다이오드입니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductors)

애벌런치 광 다이오드(APD)는 애벌런치 효과를 사용하여 다이오드의 이득을 발생시킨다는 점에서 광전자 증배관과 기능적으로 유사합니다. 높은 역방향 바이어스가 있는 경우 각 정공-전자 쌍은 애벌런치 항복을 통해 추가 쌍을 생성합니다. 이것은 광자당 더 큰 광전류의 형태로 이득을 가져옵니다. 따라서 APD는 저조도 감도를 위한 이상적인 선택입니다.

APD의 예로 Excelitas Technologies의 C30737LH-500-92C가 있습니다. 스펙트럼 범위는 500nm ~ 1000nm(시안색부터 근적외선까지)이며 905nm(IR)에서 피크 응답을 보입니다. 암전류는 1nA 미만이며 900nm에서 60A/W의 스펙트럼 응답성을 가집니다. 자동차 광 검출, 거리 측정(LiDAR), 광 통신과 같은 고대역 응용 분야에 사용됩니다(그림 6).

그림 6: C30737LH-500-92C 애벌런치 광 다이오드는 LiDAR 및 광 통신과 같은 응용 분야를 대상으로 하는 고대역 광 다이오드입니다. (이미지 출처: Excelitas Technologies)

쇼트키 광 다이오드

쇼트키 광 다이오드는 금속-반도체 접합을 기반으로 합니다. 접합의 금속 측은 양극 전극을 형성하고 N형 반도체 측은 음극을 형성합니다. 광자는 부분적으로 투명한 금속층을 통과하여 N형 반도체로 흡수되어 전하를 띤 캐리어를 자유롭게 합니다. 이 자유 전하 캐리어는 인가된 전기장에 의해 공핍층 밖으로 휩쓸려나와 광전류를 형성합니다.

이러한 다이오드의 중요한 특징은 매우 빠른 응답 시간입니다. 일반적으로 빠르게 응답할 수 있는 작은 다이오드 접합 구조를 사용합니다. 기가헤르츠(GHz) 범위의 대역폭을 갖는 쇼트키 광다이오드는 상업적으로 이용 가능합니다. 따라서 고대역폭 광통신 링크에 이상적입니다.

쇼트키 광 다이오드의 예로 Genicom Co., Ltd.의 GUVB-S11SD 광 센서가 있습니다. (그림 7). 이 광 다이오드는 UV에 민감하여 자외선 지수 측정과 같은 응용 분야에 사용됩니다. 질화 갈륨 알루미늄(AlGaN) 기반의 소재를 사용하며 UV 스펙트럼에서 240nm ~ 320nm의 스펙트럼 감도 범위를 가집니다. 이 소자는 스펙트럼에 민감하고 가시광선에 반응하지 않기 때문에 조명이 밝은 환경에서 유용한 특징이 있습니다. 암전류는 1nA 미만이고 0.11A/W의 응답성을 가지고 있습니다.

그림 7: GUVB-S11SD는 0.076mm²의 활성 광학 영역을 가진 AlGaN 기반 UV 감지 광 센서입니다. (이미지 출처: Genicom Co, Ltd.)

광 트랜지스터

광 트랜지스터는 광도에 비례하는 전류를 생성한다는 점에서 광 다이오드와 유사한 접합 반도체 소자입니다. 전류 증폭기가 내장된 광 다이오드로 생각할 수 있습니다. 광 트랜지스터는 베이스 연결이 광원으로 대체되는 NPN 트랜지스터입니다. 베이스-콜렉터 접합은 역방향 바이어스되고 투명한 창을 통해 외부 빛에 노출됩니다. 베이스-콜렉터 접합은 광전류를 최대화하기 위해 의도적으로 최대한 크게 만들어졌습니다. 베이스-이미터 접합은 순방향 바이어스되며 콜렉터 전류는 입사광 수준과 상관관계가 있습니다. 빛은 일반적인 트랜지스터 동작을 통해 증폭된 베이스 전류를 공급합니다. 빛이 없으면 광 다이오드처럼 작은 암전류가 흐릅니다.

Marktech Optoelectronics MTD8600N4-T는 스펙트럼 감도가 400nm ~ 1100nm(가시광선에서 근적외선까지)이고 피크 광 응답이 880nm인 NPN 광 트랜지스터입니다(그림 8).

그림 8: MTD8600N4-T 광 트랜지스터는 입사광 수준에 비례하는 콜렉터 전류를 생성합니다. 콜렉터 전류는 트랜지스터의 전류 증폭으로 인해 광 다이오드보다 10배 더 높습니다. (이미지 출처: Marktech Optoelectronics)

이 광 트랜지스터는 상단이 투명한 돔형 금속 캔에 들어 있습니다. 그래프는 광 조사량을 하나의 파라미터로 하여 콜렉터-이미터간 전압에 대한 콜렉터 전류의 상관관계를 나타낸 것입니다. 콜렉터 전류는 트랜지스터의 전류 증폭으로 인해 광 다이오드의 전류보다 훨씬 높습니다.

광 트랜지스터는 다양한 패키지 스타일로 이용할 수 있습니다. 예를 들어 NTE Electronics NTE3034A NPN 광 트랜지스터는 측면에서 빛을 받는 성형 에폭시 패키지를 사용합니다. 또한 피크 광 응답은 880nm이고 가시광선에서 근적외선까지 반응합니다.

결론

광 트랜지스터와 광 다이오드를 사용한 광 검출은 마이크로 프로세서나 마이크로 컨트롤러가 물리적 세계를 감지하고 그에 따른 제어 또는 분석 알고리즘을 구현하는 한 가지 수단입니다. 광 다이오드와 광 트랜지스터는 각각의 장점이 있지만 동일한 응용 분야에서 사용됩니다. 광 트랜지스터는 광 다이오드보다 더 높은 출력 전류 수준을 제공하는 반면 광 다이오드는 더 높은 주파수에서 작동한다는 장점이 있습니다.