포토 다이오드 (PD: Photo Diode)

Photo Diode

- 일반 다이오드와 같이 PN 접합구조로 되어있으며, 광의 수광면적에 의한 광기전력 (Photovoltaic power)효과를 크게 하기위해서 PN 접합 면적이 Anode 전극 면적보다 크다

Figure of PD

 

- Ge, Si, GaAs, GaAsP 등의 반도체 재료가 사용되며, N형 기판 위에 SiO2막을 확산시켜 제조하므로, 두께가 얇게 되어 단파장 빛에서 감도가 높은 것이 특징이다. 하지만 확산 막이 너무 얇아지면 감도는 높아지나, 접합면 정전용량이 증가되므로 응답속도가 낮아지는 단점이 있다

 

- PN 접합부에 광이 조사되면, P층에는 정공, N층에는 전자가 축적됨으로써 P층은 +, N층은 -로 대전되어 전위차가 발생하며 양 전극 사이에 기전력이 발생한다

 

- 이때, PN 접합면에는 공핍층에 의한 전위장벽이 형성되는데, 접합부에 금지대폭 이상의 에너지를 가진 빛이 조사되면 전자 정공쌍이 여기 (에너지 준위가 들뜨다)되며, 여기된 전자 정공쌍은 공핍층에 형성된 전계에 의해 분리되어 전자는 N영역으로, 정공은 P영역으로 이동하여 빛이 조사되는 순간에 전류가 흐르게 된다

 

- 즉, 캐리어의 이동에 의해 PN 양단에 기전력이 발생하며, 양단을 단락하면 입사광량에 비례한 전류가 흐르게 된다

 

- 빛이 조사되지 않은 경우, 아래와 같이 i_b가 나타나며,

i_s: 역포화전류, k: 볼츠만 상수, T: 절대온도, V: 외부인계 전압

- 빛이 조사되면, 광기전력효과에 의해 전류 i_p가 i_b와 반대방향으로 흐르므로

이며, 외부가 개방되면 i_b - i_p =0이 되어 다음과 같은 광기전력 V_b가 나타난다

∴ 포토 다이오드는 센서에 전압을 가하지 않아도 빛을 조사하는 것만으로 전압 출력이 생성되는 빛 - 전기에너지 변환효과를 나타낸다. PD는 보통 역방향 전압을 가해 빛의 세기에 비례한 전류를 만들어 출력한다

 

- PD에 전압을 인가하지 않았을 때는 공핍층의 PN접합부 근방에만 존재하지만, 역바이어스를 인가하면 공핍층이 확대되므로 소재 내 캐리어가 확산되므로 감도가 증가하고, 고속응답특성을 나타낸다

 

- 출련 전류의 크기는 인가 전압에 대한 영향은 거의 없고, 빛의 강도에 의해 좌우된다

 

- 저용량 확산형 포토 다이오드: n층에 불순물 농도가 낮은 고저항층을 사용하여 공핍층을 넓혀 접합용량을 작게하여, 응답속도를 낮춤

 

- 광검출회로

1. 제로바이어스형: 다이오드 접합용량이 크게되어 동작속도가 느리다. 하지만 역전류의 영향이 적어 직선성이 증가

2. 역바이어스형: 다이오드에 역 바이어스를 걸게 됨로 접합용량이 작게되어 동작속도가 빨라진다