2장 광센서 (A)

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광센서

- 광도전 셀 (photocell) : photoconductivity- 포토다이오드(photodiode) : photovoltaic effect- 포토트랜지스터 (phototransistor)- 광전관, 광전자증배관 : photoelectric effect

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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

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- 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 전자파0.78[um]~2.5[um]: 근적외선(近赤外線; nearinfrared; NIR)2.5[m]~50[um] : 적외선50[um]~1000[um]:원적외선(遠赤外線;farinfrared; FIR) 또는 서브밀리(subm) 파

§ 광 센서의 주 검출 대상

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

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§ 광자(光子; photon) 또는 광양자 (光量子; light quantum)

- 주파수 v 인 빛의 광자가 갖는 에너지

ln chhEph ==

sJ106.23constantsPlank' -34 ×´==h

m/s102.998velocitylight 8´===nlc

광파 (light wave) 광자(光子; photon)

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§ 빛의 방출

• 빛의 방출과 흡수

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

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

hEE 12 -=n

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

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

- 루미네슨스(luminescence) : 열을 수반하지 않는 발광물체나 분자를 구성하는 원자가 빛, x선, 전자선, 방사선, 전기 또는 화학반응 등의 에너지를 흡수하여 여기 상태로 된 후 다시 천이하여 발광하는현상(예) 발광 다이오드(LED), 레이저(laser) .

- 열방사(熱放射; thermal radiation) 연속 스펙트럼의 빛이 방출된다. 저온에서는 적외선이 방사되며, 고온으로 감에 따라 방사량이 증가되는동시에 단파장의 가시광 쪽으로 이동하여 휘도를 증가시킨다.(예) 전구의 필라멘트, 태양 표면

§ 발광현상

§ 빛의 흡수

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• 광센서의 분류

- 전자파의 양자를 흡수해서 전하 캐리어(charge carrier)로 직접 변환하는 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.

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광 센서의 분류

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2.2 광도전 셀

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

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ponoo epen mms +=

ss

mmmm

mm

mms

D+=

D+D++=

D++D+=

+=

o

pnpono

pono

pnph

peneepeneppenn

pene

)()()()(

빛 조사 전 :

빛 조사 후 :

-따라서, 센서의 저항은 감소하고 흐르는 전류는 증가한다.

빛에 의해 도전율은 만큼 증가한다. sD

LAR

oo s

1= RR

LAR o

oph D-=

D+=

ss1

oo R

VI = IIRVI oph

ph D+==

광전도도(光傳導度; photoconductivity)

§ 광 전도도 (光傳導度; photoconductivity )

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§ 한계파장(threshold wavelength) 또는 차단파장

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

gph EchhE >==l

n

gc

ph EchE ==l

cl gph EE =

μm][

24.1eVEE

hc

ggc ==l

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- 에너지 갭이 결정되면 센서의 장파장 측의 감도한계로 차단파장을 알 수있다.

- 광 센서 재료로 흔히 사용되는 반도체의 차단파장

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• 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

PerkinElmerHamamatsu

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• CdS 셀의 특성

- 분광감도(分光感度)특성 : CdS 셀의 최대 감도 = 565[nm] 부근의 파장CdS 셀은 인간의 눈과 매우 유사한 분광감도특성을 나타낸다.

CdSe 셀의 최대 감도 = 735[nm] 부근

인간의 시감도

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- Camera exposure meter- Brightness control

• DC relay

-Smoke detection-Rear view mirror flipper-auto-Head light dimmer

• Ambient light measurement

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• AC relay

• Object sensing measurement

-Night light control-Street light control-Flame detection

-Beam breaking applications-Card reader-Security systems-Colorimetric test equipment-Densitometer

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• Bridge circuits

-Auto focus-Electronic scales-Photoelelctric servo

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2.3 포토다이오드

2.3.1 광기전력효과

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

• 광기전력 효과(photovoltaic effect)

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

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§ 광기전력 효과

• pn 접합에 빛이 조사되면, n영역, p영역, 공핍층에서 전자정공 쌍이 발생한다.

• 공핍층에서 발생된 전자는 n영역으로, 정공은 p영역으로 내부 전계에의해서 가속된다

• n영역에서 발생된 전자는 전도대에머무르고, 정공은 공핍층까지 확산한 다음 그곳에서 전계에 의해 가속되어 p영역으로 흘러 들어 간다.

• p영역에서 발생된 정공은 가전자대에 머무르고, 전자는 공핍층을 통과해 n영역으로 흘러 들어 간다.

• 전자는 n영역의 전도대에, 정공은 p영역의 가전자대에 축적되고, 이로인해 p영역이 정(+), n영역이 부(-)인 전위가 형성되어 광기전력으로출력된다.광기전력

PN

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2.3.2 포토다이오드§ 구조와 동작원리

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

• 빛을 p층 방향에서 조사하면 앞에서 설명한 바와 같이 전자정공쌍이 발생하여 광기전력이 발생하고, 외부회로를 통해서 광 전류가흐른다

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§ 전류-전압 특성• 빛이 없는 상태에서 포토다이오드에 전압을 인가하면 곡선 ⓐ와 같이

일반 다이오드의 정류특성을 얻는다. • 외부로부터 빛이 조사되면 광전류 Iph 가 발생하고, 곡선은 빛의 세기에

비례해서 ⓑ, ⓒ로 평행 이동한다. • 이와 같이, 입사광의 세기(GL)가 증가하면, 포토다이오드의 출력전압과

전류가 증가한다.

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úû

ùêë

é-÷øö

çèæ-= 1expkTeVIII sphout

• 출력전류와 출력전압 관계는

여기서, k = 볼쯔만 상수(Boltzmann constant), T = 절대온도, Is = 역방향 누설전류, Iph = 입사광의 세기에 비례하는 광전류

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2.3.5 포토다이오드 재료와 특성

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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 나타내기