4-1
전기전자응용
2008년 1학기
정준익
8. 적외선 센서 4-2
적외선
1800년, F. W. Herschel 발견
근적외선 (Near IR : 0.7 ~ 5 μm 혹은 0.7 ~ 2.5 μm)
중적외선 (Mid IR : 5 ~ 30 μm 혹은 3 ~5 μm)
원적외선 (Far IR : 30 ~ 100 μm 혹은 5~25 μm )
항온동물의 적외선 파장 : 9.4 μm
특히 원적외선은 의료용으로 많이 쓰임
검출 원리
인간이 식별할 수 있는 가시광선 영역의 파장 한계 약 0.38 - 0.76[um]
이보다 긴 파장을 적외선 이라 함
실리콘 포토 다이오드의 검출 파장 영역 1[um] 이하
기본 원리
광양자와 물질의 상호 작용인 양자 효과와 열 효과를 이용
열 효과 : 적외선의 흡수에 의해 생긴 물질의 온도 상승 현상
8-1. 적외선의 예 4-3
8-2. 적외선의 예 4-4
IR의 특징 : 어두운 밤이나 연기, 안개, 혹은 가시광선에 대해서 불투명한 물질도 투과하는 성질이 있으므로 인명구조용, 야간 식별용 등에 쓰임
8-3. 적외선 센서 4-5
적외선 센서는 일정 주파수의 빛을 발산하는 발광부와 발광부에서
발산하는 빛을 받아들이는 수광부로 이루어져 있음
발광부에서 발생된 적외선은 물체에
부딪혀 반사되고, 수광부에서는 이
반사된 빛을 감지하여 물체의 유·무
또는, 물체까지의 거리 등을 알 수
있음
8-4. 적외선 센싱 기구 4-6
적외선 센싱 기구
내부 광전효과
열전효과
외부 광전효과
포톤 드래그 효과
핫 일렉트론 효과
광전도 효과 광전도형 센서
광기전력 효과
PN 접합형 센서 쇼트키 접합형 센서
전기저항의 변화
제베크 효과
초전 효과
광전자방출 효과 광전관
초전 소자 서모파일 볼로미터
8-5. 기본원리 4-7
내부 광전 효과(Internal Photoelectric Effect) (광전도)
절연체 ·반도체에 빛을 조사하면 충만띠[充滿帶] 또는 불순물준위(不純物準位)에 있는 전자가 광에너지를 흡수하여 전도체에 올라가 자유로이 움직일 수 있는 전자, 또는 양공(陽孔)이 생겨 전도도(電導度)가 증가하는 현상.
직접 빛을 흡수하여 생긴 전자 또는 양공 만이 전도에 관여하는 1차광전류와, 그 결과 결정 내부의 전기적 상태가 변화하여 흐르는 2차광전류가 있다. 후자는 보통
시간적으로 늦게 일어나며, 온도 의존성이 강하고, 높은 양자효율을 나타내는 경우가 있다.
내부광전효과는 비금속고체원소 ·산화물 ·황화물 ·셀렌화물 ·텔루르화물 ·할로겐화물, 어떤 종류의 유기물 등 많은 물질에서 볼 수 있는데, 감도가 좋은 것으로서 CdS, CdSe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, Sb2S3, Tl2S, Se, Si, Ge 등이 있으며, 촬상관(撮像管)
·복사측정장치 등에 이용되고 있다.
외부 광전 효과(External Photoelectric Effect)
파장 1[um] 를 넘는 영역에서도 이용가능하나, 진공관을 이용함으로 냉각이 곤란함
초고감도를 필요로 하는 특수한 용도에 한정됨
8-6. 기본원리 4-8
열전 효과(Thermoelectric Effect)
두 개의 서로 다른 금속도선의 양끝을 연결하여 폐회로를 구성하고 양단에 온도차가 주면 두 접점사이에 전위차가 발생한다. 이를 열전현상(Thermo-electric Effect)이라 부르고 이 때 발생한 전위차를 열기전력이라고 함
전기 저항의 변화, 열기전력의 발생, 초전 효과 등이 있음
열전현상은 양단간의 온도차를 이용하여 기전력을 얻어내는 제베크 효과,
기전력으로 냉각과 가열을 하는 펠티에효과,
도체의 선상의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 톰슨효과로 나눌 수 있음
[1] 제베크 효과(Seebeck effect)
: 서로 다른 두 종류의 금속을 접촉하여 두 접점의 온도를 다르게 하면 온도차에 의해서 열 기전력이 발생하고 미소한 전류가 흐르는 현상.
[2] 펠티에 효과(Peltier effect)
: 두 종류의 금속을 접촉하여 전류를 흘리면 그 접점의 접합부에서 열의 발생 및 흡수 현상이 생기는 현상. 전자 냉동기에 응용.
물질에 의해 흡수된 적외선에 의해 그 물질의 온도가 상승하고 그 결과로 발생하는 현상을 이용
8-6. 기본원리 4-9
포톤 드래그 효과(Photon Drag Effect)
반도체 내의 캐리어가 포톤이 가지는 운동량에 이끌려 기전력을 유기하는 현상
응답속도가 10-10 이하로 매우 빠름
실온에서 동작하는 초고속 응답의 적외선 검출에 이용
핫 일렉트론 효과(hot Electron Effect)
결정 격자의 온도보다도 높은 온도의 전자를 핫 일렉트론이라고부름
고전기장, 포톤의 조사에 의해 이 상태가 될 수 있음
전자 이동도는 전자 온도에 의존하고, 포톤의 조사에 의해 전기 저항이 변화함
8-7. 적외선 센서의 종류 4-10
Ge 적외선 센서
1.5[um] - 1.9[um]
PbS 적외선 센서
3[um] - 4.5[um], 응답속도가 수백[us]로 느림
PbSe 적외선 센서
3[um] - 5[m]
InAs 적외선 센서
드라이 아이스 온도 까지 냉각하여 사용 3.5[um]
InSb 적외선 센서
1 – 5[um]
HgCdTe 적외선 센서
14[um], 가장 많이 사용
PbSnTe 적외선 센서
쇼트키 접합 적외선 센서
Si 와 금속의 쇼트키 접합이 이용
외인성 적외선 센서
5-30[um] 의 영역에서 가장 고감도 ㅅㄴ서
초전형 적외선 센서
열전 효과의 일종인 초전 효과를 이용
8-8. 초전형 적외선 센서 4-11
초전 현상 : 적외선을 물질의 표면에 방사하면 전하가 유기되어 기전력이 발생하는 현상.
내부 구조
8-9. 초전형 적외선 센서 4-12
실제 구조
8-10. 적외선 센서의 외형 4-13
초전센서(인체감지)모듈 초전형 적외선 센서 적외선 포토 다이오드
