정준익

(1)

Applied Electrics and Electronics Engineering ^{원광대학교}^{원광대학교} ^{기계자동차공학과}^{기계자동차공학과} ^정준익^정준익

3-1

전기전자응용

2008년 1학기

정준익

(2)

1-1. 광센서의 개요 3-2

광의 종류

빛과 파장

빛은 전자기파의 일종

파장의 단위는 nm(100만분의 1m)를 사용

눈으로 지각되는 색을 갖는 파장영역을 가시광선

380∼780nm (10¹⁵ peta [Hz] 영역)

z 단색광인 경우 700∼610nm는 빨강,

z 610∼590nm는 주황, 590∼570nm는 노랑,

z 570∼500nm는 초록, 500∼450nm는 파랑,

z 450∼400nm는 보라

색과 파장

(3)

1-2. 광 센서의 개요 3-3

광 센서의 개요

일반적으로 외계(또는 발광부)에 의한 광 에너지를 전기적 신호로 변환하는 장치

광원

z 자연광이나 실내의 조명광을 사용하는 경우 (수동형 passive)

z 검출 대상에 빛을 비추기위해 다른 광원을 가지는 경우 (능동형 active)

» 투과형, 희귀 반사형, 확산 반사형

광센서의 기본원리

투광부에서 발사된 펄스 변조광이 검출 물체가 검출영역에 들어감

수광소자에서 입사광이 증가(감소)하게 됨

증가(감소)한 입사광의 정류신호 레벨이 동작레벨에 도달하면 출력

광-전기 변환원리에 따른 분류

광도전형 : CdS, PbS, Se

광기전력형 : 포토 다이오드, 태양전지, 포토 트랜지스터, CCD 이미지센서

초전효과형 : 초전형 적외선 센서

광전자방출형 : 광전관, 광전자 증배관

(4)

1-3. 광전 효과 3-4

의미

광 에너지와 물질 사이에는 물리적인 상호 작용이 있어 물질이 광 에너지(광자)를 흡수하고 그 결과 전자를 방출하는 현상

광기전력 효과

PN 접합 다이오드의 접합부에 빛을 조사하면 전자-정공 쌍이 다수 발생하여 전극간에 기전력이 발생하고,

이 기전력은 입사광의 강도에 따라 증가

포토 다이오드, 포토 트랜지스터 등

광도전 효과

물질에 빛이 조사되면 전기 저항이 변화하는 현상

재료

z 가시광선 : 삼황화 안티몬(Sb₂S₃), 산화납(PbO)

z 적외선 : PbO- Sb₂S₃

z 자외선 : 셀렌(Se)계

셀

z 가시광용 : 황하 카드늄(CdS)

z 적외광용 : 황화납(PbS), 인듐 안티몬(InSb)

반사형 포토 센서 1

반사형 포토 센서 2

(5)

1-3. 광전 효과 3-5

광전자 방출 효과

어떤 종류의 금속 또는 반도체의 표면에 빛을 쪼이면, 표면 근처에 있는 전자가 광에너지를 흡수하여 표면으로 나오는 것(광전자 방출)

방출된 광전자의 수는 입사되는 빛의 강도, 즉 광자의 수에 비례하여 증가

하나의 광자로부터 하나의 전자가 방출되는 것은 아니고, 양자비율에 따라 다름

무접점 릴레이, 광전 스위치, 레벨 제어 전기적 절연, 아날로그

량에 의한 검출

•포토 커플러

•포토 인터럽 터

복합형 광 센서

의료 기기, 공해 분석 기기

소형, 전원 불필요 고감도

•자외광 감도

•포토 다이오 드

자외선 센 서

정밀 광 계측기기 초고속, 미약광 검출 미약광 검출, 펄스 카운

터 초고감도, 빠른 응답 속도

•광전관

•광전자 증배 관

광전자 방 출형

카메라 노출계, 포토 릴레이, 광 제어기 소형, 고감도, 저가

•광도전 셀 광도전형

조도계, 광통신 스트 로브, 광전 스위치, 광 릴레이, 조광시스템 소형, 저가, 전원 불필

요

대출력

대전류 제어

•포토 다이오 드

•포토 트랜지 스터

•포토 사이리 스터

광기전력 형

용도 특징

센서

분류

(6)

1-4. 광 센서의 분류 3-6

(7)

1-5. 광 센서의 선택 3-7

(8)

2-1. 포토 다이오드 3-8

접합형 센서

p-n접합의전류-전압특성의광의존성을이용

빛은 p⁺층을 통해 입사되며, n⁺층은 n형과 금속전극과의 옴성접촉(ohmiccontact)을 위한 것

포토다이오드를 희망하는 파장대의 빛을 응답시키기 위해서는

에너지갭(금지대의에너지간격)을 고려해 반도체의 사용재료의 변화가 필요함(Si외GaAsP, Ge)

(9)

2-2. 포토 다이오드 3-9

최대피크를 중심으로 장파장 또는 단파장 쪽으로 갈수록 감도는 감소

장파장측:

감쇠는 파장이 길어질수록 빛이 반도체내에 흡수되지 못하고 투과되기 때문에 전자-정공쌍을 생성시키지 못 함

단파장측:

감쇠는 파장이 짧아질수록 빛이 반도체 표면에서 흡수되어 생성된

캐리어들이 접합부의 공핍 영역까지 도달하지 못하고 재결합되므로 광 전류에 기여하지 못하기 때문

포토다이오드는 자외선-근적외선영역에서 주로 사용

분광감도 특성은 사용반도체 재료의 불순물 분포 및 구조에 따라 변화시킬 수 있음

응답시간은 빛에 의해 생성된 캐리어의 확산시간 및 공핍영역 통과시간,

접합용량 등에 의해 결정

(10)

2-3. 포토 다이오드 3-10

장점

입사광에 대한 선형성이 좋다

응답 특성이 좋다

파장 감도가 넓다

잡음이 적다

소형 경량이다

진동, 충격에 강하다

광통신의 수광소자, 리모콘, 노출계 등에 널리 이용

단점

출력 전류가 작다

포토 다이오드의 분광감도 특성

(11)

2-4. 포토 다이오드 3-11

포토 다이오드의 종류와 용도

(12)

3. 포토 트랜지스터 3-12

(13)

4. 포토 사이리스터 3-13

(14)

포토 다이오드의 무 바이어스 회로 실험 3-14

(15)

포토 다이오드와 트랜지스터의 결합회로 실험 3-15

(16)

포토 다이오드와 OP-Amp의 결합회로 실험 3-16

(17)

5. CdS 광도전 셀 3-17

CdS 광도전 셀

황화카드뮴을 주성분으로 한 광도전 소자

조사광에 의해 내부 저항이 변화하는 일종의 광저항기

단점

z 응답특성이 매우 느려 고속의 광스위칭에는 부적합

z 조도가 완만하게 변하는 센싱 환경

장점

z 일반 저항처럼 회로에 사용

(18)

6. 포토 인터럽터 3-18

개요

빛을 On/Off 하는 것에 의해 비접촉적으로 물체의 유무를 검출

발광 부분과 수광 부분을 일체화한 일종의 포토 커플러

구조상 광투과식과 광반사식이 있음

장점

z 고신뢰성, 고속 응답성, 소형, 경량, 높은 정밀도, 칩화

(19)

각 소자 기호 및 단자 설명 3-19

포토 다이오드

포토 트랜지스터

OP-Amp

(20)

7. 포토 IC 3-20

포토 IC

포토 다이오드와 OP AMP 를 일체화한 센서 모듈

z 포함회로 : 포토 다이오드, OPAMP, 슈미트 회로, 버퍼 앰프, 안정화 전원

정준익

3-1

전기전자응용

2008년 1학기

정준익

1-1. 광센서의 개요 3-2

광의 종류

빛과 파장

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색과 파장

1-2. 광 센서의 개요 3-3

1-3. 광전 효과 3-4

의미

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광기전력 효과

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광도전 효과

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1-3. 광전 효과 3-5

무접점 릴레이, 광전 스위치, 레벨 제어 전기적 절연, 아날로그

량에 의한 검출

•포토 커플러

•포토 인터럽 터

복합형 광 센서

의료 기기, 공해 분석 기기

소형, 전원 불필요 고감도

•자외광 감도

•포토 다이오 드

자외선 센 서

정밀 광 계측기기 초고속, 미약광 검출 미약광 검출, 펄스 카운

터 초고감도, 빠른 응답 속도

•광전관

•광전자 증배 관

광전자 방 출형

카메라 노출계, 포토 릴레이, 광 제어기 소형, 고감도, 저가

•광도전 셀 광도전형

조도계, 광통신 스트 로브, 광전 스위치, 광 릴레이, 조광시스템 소형, 저가, 전원 불필

요

대출력

대전류 제어

•포토 다이오 드

•포토 트랜지 스터

•포토 사이리 스터

광기전력 형

용도 특징

센서

분류

1-4. 광 센서의 분류 3-6

1-5. 광 센서의 선택 3-7

2-1. 포토 다이오드 3-8

접합형 센서

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2-2. 포토 다이오드 3-9

최대피크를 중심으로 장파장 또는 단파장 쪽으로 갈수록 감도는 감소

장파장측:

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단파장측:

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포토다이오드는 자외선-근적외선영역에서 주로 사용

분광감도 특성은 사용반도체 재료의 불순물 분포 및 구조에 따라 변화시킬 수 있음

응답시간은 빛에 의해 생성된 캐리어의 확산시간 및 공핍영역 통과시간,

접합용량 등에 의해 결정

2-3. 포토 다이오드 3-10

2-4. 포토 다이오드 3-11

포토 다이오드의 종류와 용도

3. 포토 트랜지스터 3-12

4. 포토 사이리스터 3-13

포토 다이오드의 무 바이어스 회로 실험 3-14

포토 다이오드와 트랜지스터의 결합회로 실험 3-15

포토 다이오드와 OP-Amp의 결합회로 실험 3-16

5. CdS 광도전 셀 3-17

CdS 광도전 셀