다양한 포토다이오드 기술의 특성

실리콘 포토다이오드와 다른 반도체 재료로 만든 포토다이오드의 차이점에 대해 알아보세요.

이 기사에서는 다양한 유형의 포토다이오드 기술과 이를 생성하는 데 사용되는 반도체(즉, 실리콘)의 장단점에 대해 논의할 것입니다.

이것은 광 다이오드 시리즈의 네 번째 부분으로, 감광 회로 및 그 응용 분야에서 광 다이오드를 사용하는 방법에 대해 더 많이 배우기 위해 준비합니다. 나머지 내용을 읽고 싶다면 아래 링크를 확인하세요.

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기본 사항에 대해 알아보려면 빛의 물리학과 pn 접합을 사용하여 다이오드를 형성하는 방법을 설명하는 첫 번째 기사부터 시작하세요.

두 번째 작품은 빛에 민감한 pn 접합에 중점을 둡니다.

세 번째 부분은 광전도성 및 광전지 다이오드를 다룹니다.

마지막 부분에서는 광다이오드 등가 회로에 대해 설명합니다.

실리콘 포토다이오드

실리콘은 확실히 특이한 반도체 재료는 아니지만 미세한 포토다이오드를 만듭니다. 실리콘 포토다이오드는 많은 가시광선 응용 분야에 탁월한 선택입니다.

이것은 실리콘에서 염두에 두어야 할 주요 제한 사항입니다. 이는 주로 가시광선의 파장에 민감합니다. 주변광 수준에 반응하는 조광기와 같은 많은 시스템에서 이것이 바로 여러분이 원하는 것입니다. IR 강화 실리콘 포토다이오드는 응용 프로그램에서 중요한 경우 근적외선 영역의 파장에 더 많은 감도를 제공합니다.

Hamamatsu의 Silicon Photodiodes Handbook의 이 도표는 다양한 실리콘 광검출기 제품에 대한 스펙트럼 응답을 보여줍니다. QE는 양자 효율성을 나타냅니다.

실리콘 포토다이오드는 훌륭한 범용 광 검출기입니다. 안정적이고 널리 사용 가능하며 조도에 대한 전기적 응답은 매우 선형적이며 암전류 및 대역폭 성능이 우수합니다. 실제로 Thorlabs에서 판매하는 최저 암전류 및 최고 속도 포토다이오드는 모두 실리콘 장치입니다.

적외선 감지기

인듐 안티모나이드(InSb)

포토다이오드 하면 가장 먼저 떠오르는 재료는 InSb입니다. 실리콘보다 훨씬 덜 일반적이지만 내가 작업한 가장 중요한 기업 프로젝트 중 하나가 InSb 포토다이오드 어레이를 중심으로 구축되었기 때문에 엔지니어링 의식에 불타올랐습니다.

InSb는 단파장 및 중파장 적외선에 민감하며 가시광선 대신 열 신호를 감지해야 하는 애플리케이션에 탁월한 성능을 제공합니다. 그러나 InSb를 최대한 활용하려면 포토다이오드를 극저온으로 냉각하는 몇 가지 추가 노력이 필요합니다. 그들은 다이오드를 수용하고 액체 질소를 보유하는 듀어라고 불리는 것을 만듭니다. 듀어를 LN2로 채우면 InSb 감지기가 최대 감도로 준비됩니다.

인듐 갈륨 비소(InGaAs) 및 게르마늄(Ge)

InGaAs는 빠르고 고감도의 적외선 검출기 재료로 널리 사용됩니다. InSb와 달리 상온에서 일반적으로 사용되며 짧은 파장에서 약간의 추가 반응성이 있습니다. InSb는 약 1 µm까지 확장되는 반면 InGaAs 범위는 약 0.7 µm까지 내려갑니다.

게르마늄은 스펙트럼 응답과 관련하여 InGaAs와 유사하며 실온에서 작동합니다. InGaAs는 훨씬 더 높은 신호 대 잡음비를 달성할 수 있습니다.

수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe)

수은 카드뮴 텔루라이드는 장파장 IR 응용 분야의 검출기로서 중요한 역할을 합니다. InGaAs 및 InSb의 스펙트럼 응답은 각각 2–3 µm 및 5–6 µm에서 감소하는 반면 HgCdTe는 16 µm까지 확장됩니다. 장파장 IR(LWIR)은 수동 열 감지 및 이미징에 사용됩니다.

InSb 검출기와 마찬가지로 HgCdTe 검출기는 극저온으로 냉각됩니다. 이는 큰 불편을 초래하며 많은 장치에서 LWIR 이미징을 위해 비냉각식 마이크로볼로미터를 사용합니다. 마이크로볼로미터는 전자기 복사의 입사 광자에 반응하는 포토다이오드와 달리 열 에너지에 직접 반응합니다. Microbolometer는 더 저렴하고 더 작으며 에너지 효율적입니다. HgCdTe는 고품질 이미지를 생성합니다.

자외선 감지기

실리콘은 주로 가시 파장에 민감하지만 실리콘 포토다이오드는 UV 응답을 향상시키기 위해 최적화할 수 있습니다. 이러한 장치를 UV 강화 실리콘 포토다이오드라고 합니다. 이것이 UV 광을 측정하는 한 가지 접근 방식입니다.

탄화규소(SiC)에 대해 잘 알고 계실 것입니다. 주로 고전력 MOSFET과 관련된 반도체 재료로 점점 더 주목받고 있지만 SiC 다이오드는 UV 감지기로 우수하다는 것이 밝혀졌습니다.

탄화규소 광다이오드는 자연적으로 200nm ~ 400nm 대역의 자외선에만 민감한 견고한 장치입니다.

이것은 Electro Optical Components에서 제조한 탄화규소 포토다이오드의 정규화된 스펙트럼 응답입니다.

이 제한된 스펙트럼 응답은 SiC 포토다이오드가 UV 측정을 방해하는 가시광선 또는 적외선을 방지해야 하는 시스템에서 광학 필터링이 필요하지 않음을 의미합니다. UV 강화 실리콘 포토다이오드는 UV 감도가 향상되었습니다. 가시광선에 대한 감도를 유지하며 사실 UV보다 가시광선에 훨씬 더 민감합니다.

입사광 전력과 생성된 광전류 사이의 수학적 관계를 반응성이라고 합니다. SiC 피크 반응성은 실리콘의 피크 반응성에 비해 다소 낮지만, 실리콘의 피크 반응성은 UV 파장에서 멀리 발생하기 때문에 UV 애플리케이션과 관련이 없습니다. 스펙트럼의 200~400nm 부분만 보면 SiC의 반응성은 실리콘의 반응성과 유사합니다.

요약

실리콘 포토다이오드는 가시 스펙트럼의 조도에 대한 편리한 고성능 측정을 제공합니다. 적외선 검출을 위한 표준 물질은 인듐 안티몬화물(InSb), 인듐 갈륨 비소(InGaAs), 게르마늄(Ge) 및 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe)입니다. UV 응용 분야의 경우 UV 강화 실리콘이 옵션이며 안정적인 고온 작동이 필요하거나 검출기가 가시광선 및 적외선을 무시해야 하는 경우 탄화규소를 고려할 가치가 있습니다.

포토다이오드 소개 시리즈의 다음 기사:포토다이오드 등가 회로 이해