광센서의 종류 및 응용사례 광센서의 동작원리

목차

1.광센서의 종류 및 응용사례
1. 적외선 센서
2. 자외선 센서
3. 방사선 센서

2.광센서의 동작원리
1. 개 요
2. 광전효과

본문내용

전자, 정공을 반도체 안에 형성시킨 내부 전계를 사용해서 서로 역방향으로 분리시키면 커다란 광 기전력 효과(Photovoltaic effect)가 얻어지는데 내부 전계를 형성하기 위해서 PN 접합, 쇼트키 장벽 등이 사용된다. 광에서 전기 에너지로 변환하는 과정을 그림 4에 나타낸다.
그림 4에서 영역 A나 D는 광 조사에 의해서 생성되는 전자, 정공은 접합 경계 부근까지 확산되어 가나 경계 부근의 내부 전계 때문에 전자는 N측에 정공은 P측으로 분리된다. 경계 부근의 영역 B나 C에서 생성되는 전자, 정공은 내부 전계에 의해서 곧 분리되는데 이 결과로 P측의 전극에는 정공이, N측의 전극에는 전자가 모여서, PN양극에 기전력이 발생한다.
PN접합에 빛을 조사하는 경우 I0를 포화전류, q를 전하, k는 볼츠만의 정수라 하면 전류 I와 전압 V의 관계는 다음식으로 주어진다(그림 5).
그림 5. 광 에너지 변환
I=I0 exp{(q υ/kT ) - 1} (2-6)
한편 광 조사에 의해서 생성된 전자, 정공이 광전류 Ii를 발생시키면 접합을 흐르는 전 전류는
I=I0 {exp(qυ/kT )-1)}-Ii (2-7)
로 되어 전류, 전압특성은 포화전류 일때의 특성을 평행하게 이동한 것과 같이 된다. 그림 6에서 전류축과의 교점을 단락 광전류 Isc , 전압축과의 교점을 개방 전압 Voc라 부르고 다음식으로 주어진다.
Voc= (kT /q )ℓn( 1 +Ii /I0 ) (2-8)
그림 6. 광기전력 효과시 전압-전류 특성
부하저항에 의해 결정되는 외부 인출용 전력 P는 그림 6의 점선부분으로 둘러싸인 면적에 상응하는 부분으로 전력 P는 다음과 같이 표시된다.
P=IV=I0 {exp(qυ/kT )-1}V-IℓV (2-9)
(5) 광전자 방출효과
광의 양자화 특성에 의해 고체에 빛이 조사되면 이 에너지가 고체에 전달되어 고체표면에서 전자가 방출된다. 이 때 고체 표면에서 방출되는 전자를 光電子(Photo- electron)라 하며 이 현상을 광전자 방출(Photoelectron-emission) 또는 光電效果(Photoelectric)라 한다.
이때 전자가 고체 밖으로 나오려면 일정한 에너지가 필요한데 이 에너지를 일함수(work function)라 한다.
외부로 방출된 에너지가 갖는 에너지는 입사된 에너지에서 일함수 W를 뺀 값으로 다음 식으로 주어진다.
E=mυ2/2 =hf-W (2-10)
일반적으로 전자의 일함수는 열전자의 일 함수보다 큰 것이 보통이나 그 방출 기구는 복잡하다.
그림 7. 광전자 방출효과
(6) 뎀버 효과
반도체에 흡수 계수가 큰 과장의 빛을 조사해서 표면 가까이에 전자, 정공을 생성시키면 이동도가 다른 두 종류의 캐리어 확산에 의해 내부에 전계가 誘起된다. 이것을 뎀버효과(Dember effect)라고 한다.
그림 8. 뎀버효과
(7) 광전자 효과
그림 9과 같이 자장 H안에 반도체를 놓고 직각 방향으로 빛을 비추면 빛과 H에 직각인 방향으로 기전력이 유기된다. 이것을 광전자 효과(Photo Electromagnetic effect : PEM 효과)라 한다.
이러한 현상은 빛에 의해서 표면에 전자와 정공이 생기는데 홉수 게수가 클 경우에는 빛은 표면에 가까운 부분에만 홉수되기 때문에 캐리어 밀도에 경사가 일어나, 캐리어는 내부로 화산되어 간다.
그 도중에 H에 의해 캐리어인 전자, 정공에 로렌츠력이 작용해서 방향이 서로 역 방향으로 구부러지기 때문에 홀 전압과 같이 기전력이 일어나 캐리어의 흐름을 억제한다. 이 효과는 표면 상태에서 현저한 영향을 받기 때문에 표면의 재결합 속도를 크게 하면 캐리어 밀도의 경사가 커져서 출력을 크게 잡을 수 있다.
그림 9. 광전자효과
(8) 포톤 드래그 효과
Ge결정 중의 적외선 광에 의한 가전자대 사이의 천이는 가전자대 내 천이에 비해서 강한 흡수 특성을 나타낸다. 정공이 무거운 질량 밴드에서 가벼운 질량밴드로 천이 하는 과정에서 광자(光子)와 상호 작용하여 운동량과 에너지 보존법칙을 이룬다. 따라서 광자가 정공을 빛의 진행 방향으로 움직이게 하는데 이 정공의 흐름은 에너지 밴드의 구조나 광자와 정공과의 상호 작용시의 특성에 의해 변한다.
즉, P형 Ge에 충분히 강한 레이저 광을 조사하면 정공은 빛의 운동량을 받아 빛의 진행방향에 기전력을 유기한다. 이러한 현상을 포톤 드래그 효과(Photon drag effect)라 한다.
그림 10. 포톤 드래그 효과

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