- 광전관, 광전자증배관 : photoelectric effect

2장 광센서 (A)

광센서

- 광도전 셀 (photocell) : photoconductivity

- 포토다이오드(photodiode) : photovoltaic effect - 포토트랜지스터 (phototransistor)

- 광전관, 광전자증배관 : photoelectric effect

2.1 광 센서의 기초

• 빛의 성질

§ 파입자 이중성(wave particle duality)

빛은 파(wave)와 입자(particle)의 성질을 모두 갖는다.

§ 광파 (light wave)

- 광파는 전자파(電磁波;electromagnetic wave; EM wave)의 일종

- 광파(전자파)는 서로 직교하는 전계(電界)와 자계(磁界)로 구성되며, 정현파로 진동하는 전계와 자계에 수직한 축 방향을 따라 진행

- 가시광, 적외선, 자외선을 검출한다.

- 가시광선(visible light) : 파장이 약 390[nm]~780[nm] 사이인 전자파

- 적외선 (赤外線; infrared; IR) : 가시광선보다 긴 0.78[um]~1000[um] 파장 의 전자파

0.78[um]~2.5[um]: 근적외선(近赤外線; nearinfrared; NIR) 2.5[m]~50[um] : 적외선

50[um]~1000[um]:원적외선(遠赤外線;farinfrared; FIR) 또는 서브밀리 (subm) 파

§ 광 센서의 주 검출 대상

- 자외선 (ultraviolet; UV) : 가시광선보다 단파장의 전자파(1~400[nm])

§ 광자(光子; photon) 또는 광양자 (光量子; light quantum) - 주파수 v 인 빛의 광자가 갖는 에너지

n h l ^c h

E

= =

s J 10

6.23 constant

s

Plank' = ´

×

= h

m/s 10

2.998 velocity

light = ´

=

= nl

c

광파 (light wave) 광자(光子; photon)

§ 빛의 방출

• 빛의 방출과 흡수

- 원자 내에서 높은 에너지 준위에 있는 전자가 더 낮은 에너지 상태 로 천이(遷移; transition)하면 빛이 방출된다

- 에너지 E의 여기 상태에 있는 전자가 에너지 E의 기저상태로 천이할 때, 에너지 차 에 해당하는 빛이 방출된다. 그 주파수는

h

E

E

-

n =

- 물체가 빛(전자파)을 흡수하면, 전자는 기저상태에서 여기 상태로 올라간 다.

- 빛(전자파)을 방출하는 물체는 에너지를 상실하고, 흡수하는 물체는 에너 지를 얻는다.

- 루미네슨스(luminescence) : 열을 수반하지 않는 발광

물체나 분자를 구성하는 원자가 빛, x선, 전자선, 방사선, 전기 또는 화학 반응 등의 에너지를 흡수하여 여기 상태로 된 후 다시 천이하여 발광하는 현상

(예) 발광 다이오드(LED), 레이저(laser) .

- 열방사(熱放射; thermal radiation) 연속 스펙트럼의 빛이 방출된다.

저온에서는 적외선이 방사되며, 고온으로 감에 따라 방사량이 증가되는 동시에 단파장의 가시광 쪽으로 이동하여 휘도를 증가시킨다.

(예) 전구의 필라멘트, 태양 표면

§ 발광현상

§ 빛의 흡수

• 광센서의 분류

- 전자파의 양자를 흡수해서 전하 캐리어(charge carrier)로 직접 변환하 는 광센서

- 광도전 셀(photocell), 포토다이오드(photodiode), 포토트랜지스터 (phototransistor) 등

- 양자형은 자외선에서 중적외선(midIR) 범위에서 동작한다.

§ 양자형(量子型; photon detector or quantum detector)

§ 열형(熱型; thermal detector)

- 적외선을 흡수한 소자의 온도가 변화하고, 그 결과 소자의 전기적 특성 (저항, 열기전력, 전기분극 등)이 변하는 효과를 이용하는 광 센서

- 서미스터(thermistor), 볼로미터(bolometer), 서모파일(thermo-pile), 초전센서(pyroelectric detector)

- 중적외선부터 원적외선 범위를 검출하는데 유용하다.

광 센서의 분류

2.2 광도전 셀

• 광도전 효과

- 반도체에 빛을 조사하면 전자정공 쌍(electron-hole pair)이 발생하여, 그 부분의 전기 전도도(電氣傳導度；electrical conductivity; 보통 도전율이 라고 부른다.)가 증가하는데, 이것을 광 도전 효과(光導電效果; photo- conductive effect)라고 부른다.

p o

n o

o

n e m p e m

s = +

s s

m m

m m

m m

m m

s

D +

=

D + D

+ +

=

D + +

D +

=

+

=

o

p n

p o

n o

p o

n o

p n

ph

pe ne

e p e

n

e p p

e n n

pe ne

) (

) (

) (

) (

빛 조사 전 : 빛 조사 후 :

-따라서, 센서의 저항은 감소하고 흐르는 전류는 증가한다.

빛에 의해 도전율은

D s

L R A

o

o

s

= 1 R R

L

R A

o

ph

= - D

D

= +

s s

1

o

R

I = V ^{I I}

R

I

= V =

+ D

광전도도(光傳導度; photoconductivity)

§ 광 전도도 (光傳導度; photoconductivity )

§ 한계파장(threshold wavelength) 또는 차단파장

- 모든 빛이 광도전 효과를 나타내는 것은 아니다. 전자가 전도대로 올라가 기 위해서는 광자의 에너지가 에너지 갭 보다 커야 한다.

g

ph

c E

h h

E = = >

n l

g c

ph

c E

h

E = =

l

l

^E

^{= E}

] μm [

24 . 1

eV E

E hc

g g

c

= =

l

- 에너지 갭이 결정되면 센서의 장파장 측의 감도한계로 차단파장을 알 수 있다.

- 광 센서 재료로 흔히 사용되는 반도체의 차단파장

• 광도전 셀 또는 포토 셀

- 광도전 효과를 이용한 광 센서를 광도전 셀(photoconductive cell) 또는 포토셀(photocell) 이라고 부른다.

- Photocell은 다음과 같이 분류된다.

가시광 검출 : CdS photocell, CdSe photocell

적외선 검출 : PbS, PbSe, InSb, InAs, MCT(HgCdTe)

§ CdS 셀

• 기본 구조

• CdS 셀의 특성

- 분광감도(分光感度)특성 :

CdS 셀의 최대 감도 = 565[nm] 부근의 파장

CdS 셀은 인간의 눈과 매우 유사한 분광감도특성을 나타낸다.

CdSe 셀의 최대 감도 = 735[nm] 부근

인간의 시감도

- Camera exposure meter - Brightness control

• DC relay

-Smoke detection

-Rear view mirror flipper-auto -Head light dimmer

• Ambient light measurement

• AC relay

• Object sensing measurement

-Night light control -Street light control -Flame detection

-Beam breaking applications -Card reader

-Security systems

-Colorimetric test equipment -Densitometer

• Bridge circuits

-Auto focus

-Electronic scales

-Photoelelctric servo

2.3 포토다이오드

2.3.1 광기전력효과

• 포토다이오드(photodiode)는 pn 접합의 광기전력 효과를 이용해 서 빛을 검출하는 광 센서.

• 광기전력 효과(photovoltaic effect)

pn 접합( junction)에 빛을 조사하였을 때 기전력(起電力)이 발생하 는 현상

§ 광기전력 효과

• pn 접합에 빛이 조사되면, n영역, p 영역, 공핍층에서 전자정공 쌍이 발 생한다.

• 공핍층에서 발생된 전자는 n영역으 로, 정공은 p영역으로 내부 전계에 의해서 가속된다

• n영역에서 발생된 전자는 전도대에 머무르고, 정공은 공핍층까지 확산 한 다음 그곳에서 전계에 의해 가속 되어 p영역으로 흘러 들어 간다.

• p영역에서 발생된 정공은 가전자대 에 머무르고, 전자는 공핍층을 통과 해 n영역으로 흘러 들어 간다.

• 전자는 n영역의 전도대에, 정공은 p 영역의 가전자대에 축적되고, 이로

2.3.2 포토다이오드

§ 구조와 동작원리

• n형 실리콘 단결정의 표면에 p형 불순물(보통 보론(B))을 선택 확 산하여 1[um] 정도 깊이의 pn 접합을 형성한다.

• 빛을 p층 방향에서 조사하면 앞에서 설명한 바와 같이 전자정공 쌍이 발생하여 광기전력이 발생하고, 외부회로를 통해서 광 전류가 흐른다

§ 전류-전압 특성

• 빛이 없는 상태에서 포토다이오드에 전압을 인가하면 곡선 ⓐ와 같이 일반 다이오드의 정류특성을 얻는다.

• 외부로부터 빛이 조사되면 광전류 I_ph 가 발생하고, 곡선은 빛의 세기에 비례해서 ⓑ, ⓒ로 평행 이동한다.

• 이와 같이, 입사광의 세기(G_L)가 증가하면, 포토다이오드의 출력전압과 전류가 증가한다.

ú û ù ê ë

é ÷ -

ø ç ö

è - æ

= exp 1

kT I eV

I

I

• 출력전류와 출력전압 관계는

여기서, k = 볼쯔만 상수(Boltzmann constant), T = 절대온도,

I_s = 역방향 누설전류, I_ph = 입사광의 세기에 비례하는 광전류

2.3.5 포토다이오드 재료와 특성

광센서

- 광도전 셀 (photocell) : photoconductivity

- 포토다이오드(photodiode) : photovoltaic effect - 포토트랜지스터 (phototransistor)

- 광전관, 광전자증배관 : photoelectric effect

Sensor System Design

- LED와 스위치를 이용하여 LED 점등 실습 - 기본 예제 프로그램 설명

- 2, 10, 16진수의 관계 설명 - 과제내용

⦁ 기본 예제 프로그램을 활용하여 LED와 스위치 간의 새로운 조합으로 나타 내기