포토다이오드 원리, 빛이 전류가 되는 두 가지 동작 모드

사진가가 촬영에 앞서 노출계를 들어 올리면 빛의 세기가 바늘의 움직임이나 숫자로 나타납니다. 노출계 속에서 빛의 양을 전기 신호로 바꿔 주는 부품이 바로 광 센서죠.

포토다이오드 원리는 PN 접합이 빛을 받으면 전류가 흐르는 현상입니다. 태양전지와 같은 광전 효과에서 출발하지만, 전력을 모으기보다 빛의 세기를 정확히 읽는 쪽으로 설계된 소자입니다.

노출계와 다른 점이 있습니다. 노출계는 숫자 하나를 천천히 보여 주면 되지만, 반도체 광 센서는 광통신에서 초당 수십억 번 바뀌는 빛을 따라가야 하는 경우도 있고, 아주 약한 빛은 소자 스스로가 만드는 전류에 가려지기도 합니다.

포토다이오드 원리, 광전류와 응답도

밴드갭 이상의 에너지를 가진 광자가 접합 근처에서 흡수되면 전자와 정공 쌍이 생기고, 공핍 영역의 전기장이 이 쌍을 갈라 놓아 광전류가 흐릅니다. 광자 하나가 쌍 하나를 만들면 전자 하나가 전류가 되므로, 광전류는 들어온 광자 수에 비례합니다. 빛이 두 배로 세지면 전류도 두 배가 되는 선형 관계가 센서로서의 장점입니다.

빛의 출력 대비 광전류의 비율을 응답도(Responsivity)라 하고 단위는 A/W입니다. 광자 하나당 만들어지는 전자의 비율을 양자 효율이라 할 때, 응답도는 양자 효율 × 파장(nm) ÷ 1240으로 쓸 수 있습니다.

광기전 모드와 광도전 모드

포토다이오드 원리는 같아도 전압을 거는 방식에 따라 두 가지 모드로 쓰입니다. 전압을 걸지 않고 읽는 방식이 광기전 모드(Photovoltaic Mode)로, 태양전지와 같은 상태에서 빛이 만든 전압이나 전류를 읽습니다. 바이어스가 없어 암전류가 매우 작고 잡음이 적지만 속도는 느린 편이어서, 느리게 변하는 약한 빛을 정밀하게 측정할 때 유리합니다.

역방향 전압을 걸어 읽는 방식이 광도전 모드(Photoconductive Mode)입니다. 역방향 전압이 공핍 영역을 넓히면 접합 정전용량이 줄고 전기장이 세져 전하가 빨리 쓸려 나가므로 응답 속도가 빨라집니다. 대신 역방향 누설인 암전류가 늘어 잡음 면에서는 불리합니다.

응답 속도를 정하는 정전용량과 이동 시간

포토다이오드 원리를 실제 소자로 옮길 때 속도는 두 가지가 정합니다. 하나는 접합의 정전용량과 부하 저항이 만드는 RC 시간 상수이고, 다른 하나는 광생성된 전하가 공핍 영역을 가로질러 전극에 닿는 데 걸리는 이동 시간입니다.

공핍 영역을 넓히면 정전용량이 줄어 RC 한계는 좋아지지만 이동 시간은 길어집니다. 반대로 얇게 만들면 이동은 빨라지지만 정전용량이 커지고 빛을 충분히 흡수하지 못해 감도가 떨어집니다. 이렇게 속도와 감도가 맞바뀌는 지점을 어떻게 잡느냐가 포토다이오드 설계의 핵심입니다.

PIN 포토다이오드의 구조

PIN 포토다이오드(PIN Photodiode)는 P형과 N형 사이에 불순물이 거의 없는 진성(Intrinsic) 층을 끼운 구조입니다. 역방향 전압을 걸면 공핍 영역이 이 넓은 진성 층 전체로 퍼지므로, 빛을 흡수할 두꺼운 영역과 균일한 전기장을 함께 얻습니다.

흡수 영역이 두꺼워져 양자 효율이 높아지고, 층이 넓어 정전용량은 낮아지며, 전하가 센 전기장 속을 지나 빨리 쓸려 나갑니다. 이런 이유로 광통신 수신기 같은 빠르고 감도가 필요한 곳에서 PIN 구조가 널리 쓰입니다.

어떤 파장을 읽을 수 있는지는 흡수층의 밴드갭이 정합니다. 실리콘은 약 1,100 nm까지만 흡수하고, 광통신 파장인 1.3~1.55 µm 부근은 밴드갭이 더 작은 재료가 필요해 게르마늄이나 InGaAs를 씁니다. 예를 들어 InP 기판에 맞추는 InGaAs는 밴드갭이 약 0.75 eV여서 1240 ÷ 0.75 ≈ 1,650 nm까지 흡수합니다.

애벌란시 포토다이오드와 SPAD

애벌란시 포토다이오드(APD, Avalanche Photodiode)는 항복 전압 바로 아래의 높은 역방향 전압에서 쓰입니다. 광생성된 전자가 센 전기장에서 충분히 가속되면 충돌 이온화로 새로운 쌍을 만들고, 이것이 연쇄적으로 이어져 광전류가 내부에서 증폭됩니다. 이득은 대략 수십에서 수백 배 수준이어서 약한 빛을 읽는 데 유리합니다.

대가도 있습니다. 증폭 과정의 통계적 흔들림이 잡음으로 더해지고, 이득이 전압과 온도에 민감해 바이어스를 안정적으로 유지해야 하며, 높은 전압이 필요합니다. 그래서 APD는 증폭이 꼭 필요한 곳에만 쓰고, 신호가 충분하면 PIN 구조가 더 단순하고 안정적입니다.

SPAD(Single-Photon Avalanche Diode, 단일 광자 애벌란시 다이오드)는 항복 전압보다 더 높은 전압을 걸어 놓은 APD입니다. 이 상태에서는 광자 하나가 만든 쌍 하나만으로 애벌란시가 폭발적으로 일어나 큰 펄스가 나오고, 소광 회로가 전압을 낮춰 애벌란시를 끈 뒤 다시 전압을 올립니다. 펄스가 나온 횟수와 시각으로 광자 개수나 도착 시간을 재므로 빛이 돌아오는 시간을 재는 거리 측정에 쓰이며, 소광과 재충전 동안의 불감 시간이 한계입니다.

암전류가 정하는 감도의 한계

암전류(Dark Current)는 빛이 전혀 없는데도 흐르는 전류입니다. 열 때문에 저절로 생기는 전하 쌍과 접합 표면과 결함을 따라 새는 누설이 주된 원인이며, 역방향 전압을 높일수록 커집니다. 읽으려는 광전류가 암전류보다 작으면 신호를 구분할 수 없습니다.

암전류를 줄이려면 소자를 냉각하거나, 역방향 전압을 낮추거나, 접합 면적을 줄이고 결함을 줄이는 방법을 씁니다. 그리고 빛을 증폭하면 감도 문제가 모두 해결된다는 생각은 오해로, 증폭은 신호와 함께 잡음도 키우기 때문에 신호 대 잡음비를 따로 따져야 합니다.

쓰이는 곳과 이미지 센서와의 연결

광통신의 수신기, 스마트 기기의 조도 센서와 근접 센서, 리모컨 수신부가 대표적인 쓰임입니다. 빛이 돌아오는 시간으로 거리를 재는 ToF 방식에서는 응답이 빠른 APD나 SPAD 계열이 쓰입니다.

이미지 센서의 픽셀 하나에도 같은 원리의 포토다이오드가 들어 있습니다. 다만 이미지 센서는 빛을 전류로 바로 읽지 않고 일정 시간 전하로 모은 뒤 읽는 방식이라, 읽기 회로와 배열 구조는 다른 주제로 보는 것이 맞습니다. 포토다이오드는 그 픽셀의 첫 단추인 셈입니다.

세 가지 광 검출 소자 비교 표

구분	PIN 포토다이오드	APD	SPAD
바이어스	무바이어스 또는 낮은 역방향 전압	항복 전압 바로 아래의 높은 역방향 전압	항복 전압보다 높은 전압
내부 이득	없음(양자 효율 이하)	대략 수십에서 수백 배	광자 하나가 큰 펄스를 유발
출력	빛의 세기에 비례하는 전류	증폭된 전류	광자 도착을 알리는 펄스
주된 난점	약한 빛에서는 감도가 부족	증폭 잡음과 바이어스 안정화	소광 회로와 불감 시간
어울리는 용도	광통신 수신, 조도와 근접 감지	약한 신호의 광통신, 거리 측정	광자 계수, 거리 측정

핵심 정리

포토다이오드 원리는 흡수된 광자가 만든 전자와 정공 쌍을 접합의 전기장이 갈라 광전류로 읽는 것이고, 응답도는 양자 효율과 파장으로 정해집니다. 전압을 걸지 않으면 저잡음의 광기전 모드, 역방향 전압을 걸면 빠른 광도전 모드가 되며, 속도는 정전용량과 이동 시간이 맞바뀌는 지점에서 정해집니다.

노출계로 돌아가면 PIN 구조는 정직하게 빛의 양을 읽는 기본형이고, APD와 SPAD는 약한 빛을 읽기 위해 감도를 끌어올린 확장형입니다. 신호를 읽기 전에 암전류가 얼마인지부터 확인하는 것이 어떤 구조를 쓸지 정하는 첫걸음입니다.

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