Avalanche photodiode 눈사태 광검출기(1)

Avalanche photodiode는 광학 연구에서 사용되는 중요한 전자부품중의 하나이다. 대표적인 업체의 링크를 걸어두었으니 사고 싶으면 아래 홈페이지에서 알아보고 주문하면 된다.

http://www.hamamatsu.com/jp/en/4003.html

https://www.edmundoptics.com/testing-detection/detectors/avalanche-photodiodes/

줄여서 APD라고 하는데, 광자 1개를 측정할 수 있는 장치중의 하나다. 광자 1개를 측정할 수 있는 장치를 단광자 검출기(Single photon detector, SPD)라고 부르는데, 그중 특별히 APD를 갖고서 Single photon avalanche detector(SPAD)라고 부르기도 한다. SPD에는 APD만 있는 것은 아니고, 광전증배관(Photo-multiplier tube, PMT)이나 Micro-channel plate(MCP)등이 있다. 다들 각자의 쓰임새와 전문분야가 있는데, 오늘은 그중 APD에 대해서 알아보려고 한다.

Avalanche photodiode에서 Avalanche는 “눈사태”라는 뜻이다. 그야말로 눈사태가 일어나듯이 전자의 증폭 작용이 일어나기 때문에 붙여진 이름이다. 참고로 한국어 위키백과에는 “전자사태 광다이오드”라고 나와 있으므로 참고하도록 하자.

일단 APD도 PD의 일종이므로 photodiode가 어떻게 신호를 만들어내는지 알아야 하는데, 사실 어려울 것은 없다. PD는 일단 그 이름에서 알 수 있듯이 diode이다. diode는 2가지 종류의 반도체로 구성되는데, 그 기반이 되는 반도체 물질은 같지만 한쪽은 양공(hole)이 많은 p형 반도체이고, 다른쪽은 전자(electron)가 많은 n형 반도체로 되어 있다. 즉, p-n 접합이 되어 있다. p-n접합이 되어 있는 반도체는 전압이 어느 방향으로 걸리게 되느냐에 따라 저항이 달라지는데, p형에 높은 전압이 걸리면 전류가 잘 흐르고(=저항이 작고, 정방향) 반대로 n형에 높은 전압이 걸리면 전류가 잘 흐르지 않는다(=저항이 크다, 역방향). 그리고 그러다가 n형에 너무 높은 전압이 걸리면 절연 파괴 현상이 일어나서 전류가 오히려 잘 흐르는 현상이 나타난다.(Breakdown)

PD의 작동은 역방향의 전압이 걸리는 상황이 필요하다. 역방향의 전압이 걸려 있다는 뜻은 p형 반도체에 낮은 전압이 걸려 있다는 뜻이다. 이 경우, 양공이 p형 반도체를 향해 달려가야 하지만 p형 반도체에는 이미 양공이 많이 존재 하기 때문에 그렇게 되기가 어렵다. 즉, 전압은 걸려 있지만 전류가 흐르지 않는 이제, 이 상황에서 다이오드에 빛이 들어간다고 해 보자. 빛이 다이오드에 들어가면, 특히 그중에서도 반도체의 띠틈(bandgap)보다 큰 에너지를 가지는 빛이 다이오드에 들어가면, 반도체 내부의 어느 적당한 지점에서 흡수된 빛은 전자와 양공의 쌍을 만들어 낸다. 방금 말했듯이, 빛이 들어가기 이전의 반도체 내부에는 전류가 흐르지 않고 있었다. 다시 말해서 전자와 양공이 하나도 없었다는 뜻이다. 하지만 빛이 흡수되면서 만들어 낸 전자와 양공은, 그 원인이야 어쨌든 “반도체 내부에 존재하는” 전자와 양공이다. 따라서 전압을 따라서 흘러갈 수 있고, 이것은 다이오드에서 전류로 나타난다. 이 전류는 빛이 더이상 흡수되지 않게 되면 새로운 전자와 양공이 생성되지 않으므로 멈추게 된다. 또한, 빛의 세기가 셀 수록 전자와 양공의 쌍이 더 많이 생성되므로 더 큰 전류가 흐르게 된다. 즉, 전류의 세기와 빛의 세기는 비례한다. 같은 전압에서 전류의 크기는 저항을 결정하게 되므로, 간단한 브릿지 회로를 꾸며서 이 다이오드의 저항을 결정하면 우리는 이 다이오드에 들어온 빛의 양을 알 수 있게 되는 것이다.

자, 그럼 이제 APD의 작동을 알아보자. APD는 좀 더 강한 역전압이 걸려 있는 상황에서 작동한다. 사실 위에서 PD가 적당한 역전압이 걸려 있는 상태에서 작동한다면, 빛이 약해서 전자와 양공이 몇개 생기지 않는 상황에서는 전자와 양공이 양 극단으로 끝까지 달려가지 못하고 다시 되돌아와서 재결합되어 버린다. 우리가 원하는 APD의 작동은 단 1개의 전자-양공 쌍이라 하더라도 끝까지 가서 전류로 흘러줘야 하는 것이다. 그렇게 되려면 더 강한 역전압이 걸려 있어야 한다. 하지만, 이 경우 또다른 부작용이 나타나는데, 그것이 바로 이 다이오드에 붙은 이름에 포함된 avalanche라는 현상이다.

눈사태는 아주 작은 눈덩어리가 톡 떨어지면서 산 전체를 뒤흔드는 엄청난 눈의 흐름으로 전개되는 과정이다. 연쇄작용(Chain-reaction)이라고 불러도 될 것이다. 하나의 전자가 역전압에 의해 달려가면서 에너지를 얻게 되고, 그 에너지를 갖고 다른 전자와 충돌한다면 전자의 수가 2배로 늘어난다. 그렇게 늘어난 전자들은 또 달려가면서 에너지를 얻게 되고, 이 과정을 반복해서 전류에 참여하는 전자의 수가 기하급수적으로 늘어나게 된다. 그 결과 우리는 큰 전류를 얻게 되는데, 이 때 대략 100배 정도로 전자가 늘어나게 된다. 따라서 전자 1개에 대응하는 광자 1개라 하더라도 우리가 측정할 수 있게 되는 것이다.

이 상황은 광자 1개라도 검출할 수 있다는 장점이 있지만, 세가지 문제를 발생시킨다. 하나는 열에 의해서 전자-양공 쌍이 생성되는 현상이 있을 수 있는데, 그럼 우리가 원하지 않는 신호가 생성되므로 신호에 잡음이 끼게 된다. 물론 이 현상은 역전압을 줄이면 해결되는 문제지만 그렇게 되면 APD로 써먹지 못하게 되므로 의미가 없다. 온도를 낮춰서 해결해야만 한다.

두번째 문제는 광자 1개가 들어온 것과 여러개가 들어온 것이 구분이 안된다는 점이다. 광자 여러개가 들어왔을 때에도 전자-양공 쌍이 생기는데, 초반에 몇개의 쌍이 있든지 상관 없이 최종적으로 나타나는 전류의 세기는 비슷하기 때문에 사실 Single photon detector는 few photon detector라고 해야 좀 더 과학적으로 올바른 표현이 된다.

세번째 문제는 빛이 들어오지 않게 된 이후에 전자-양공이 모두 흘러서 전류가 더이상 흐르지 않게 될 때까지 시간이 걸린다는 점이다. 이 시간 동안 만약 광자가 다시 들어온다면 두번째 문제에서 지적한 것과 마찬가지로 광자가 1개인지 여러개인지 구분할 수 없게 되므로, 일단 신호를 얻었다면 역전압을 꺼서 더이상 전류가 흐르지 않을 때 까지 기다렸다가 다시 실험을 시작해야 한다. 이 시간을 죽은 시간(Dead time)이라고 부른다.

여기에, 워낙 민감하기 때문에 나타나는 Afterpulse라는 현상도 있다. 이것은 앞에서 전자-양공 쌍이 생성된 후, 다 흘러가지 못하고 반도체 내부에 남아있다가 다시 역전압이 걸렸을 때, 그 때 가서야 흐르기 시작해서 생기는 현상이다. 이것은 처음에 나타난 큰 펄스 직후에 작게 뜨는 신호로 나타난다.

이제 APD의 작동 원리를 알아봤으니, 다음 글에서는 스펙을 보고 어떻게 골라야 하는지를 살펴보도록 하겠다.

7 Comments

  1. 드리블

    2017년 9월 6일 at 12:43 오전

    안녕하세요 ..! LRF 쪽을 공부하고 있는 아직 새내기 직딩입니다.
    APD와 SPAD에 대해서 공부하고 있는데, 글이 정말 많은 도움이 되었습니다!!
    앞으로 포스팅 기대하면서 APD 2탄을 재촉드립니다ㅎㅎㅎㅎ
    좋은글 감사합니다!!

    1. 익명

      2017년 9월 6일 at 12:44 오전

      아 찾아보니까 글이있었네여…죄송하네여..좋은글 잘보고 갑니다 ㅎㅎ

    2. 드리블

      2017년 9월 6일 at 12:46 오전

      아 찾아보니까 글이있었네여…죄송하네여..좋은글 잘보고 갑니다 ㅎㅎ
      사실 전 전자공학을 전공했는데, 실무에서 LRF를 하게되어서 광학을 접목하게 되니 어려운 부분이많네여
      그래서 포스팅이 정말 많은도움이됩니다.
      감사합니다!!

  2. 공학도

    2017년 6월 3일 at 8:13 오전

    안녕하세요~ 예전부터 글을 잘 읽고 있습니다. 유익한 정보들 감사합니다.
    저는 관악에서 물리학과 연관깊은 분야에 박사과정에 있습니다.
    평소 깊이 있는 글들을 올리셔서 쓰신 논문들도 같이 공부해보고자 하고싶은 마음에
    한국연구자 정보에 들어가서 성함인 ‘남기환’을 검색해보았습니다.
    중앙대학교 김시연 선생님 연구실에서 석사 과정 마치시고 카이스트 물리학과 마이크로/서브마이크로 연구실에서 박사과정중이신 ‘남기환’씨가 검색되길래 카이스트 연구실 홈페이지에 가보았더니 남기환씨는 연구실 졸업생 및 재학생 목록에 없더라구요..
    그래서 페이스북 Snowall계정의 ‘남기환’씨 생년월일을 확인해보았더니 중앙대학교 김시연 연구실에서 석사과정 마치신 분과 생년월일이 다르더라구요.
    혹시 주저자로 출판된 저널 논문을 답글에 달아주시면 감사한마음으로 정독하겠습니다~

    1. snowall

      2017년 6월 3일 at 10:21 오전

      주저자로 출판된 논문은 1개밖에 없는데요…;; 제 이름이 포함된 논문을 굳이 읽고 싶으시다면 아래 리스트를 참고하시면 됩니다. 현재 저도 학생이라 아직 졸업은 못했고, 현재 연구분야에서 낸 논문이 부끄럽지만 아직 없습니다.
      1. Kee-Hwan Nam, Siyeon Kim and Seungsu Hwang
      A Complex-Angle Rotation and Geometric Complementarity in Fermion Mixing JKPS, 2008 53:1228-1231. [초록]

      2. N. E. Park, K. H. Nam, K. Siyeon
      Discrete flavor symmetry and minimal seesaw mechanism
      Phys. Rev. D 83, 056013 (2011) [6 pages]
      http://arxiv.org/abs/1101.4134
      http://prd.aps.org/abstract/PRD/v83/i5/e056013

      3. http://apl.aip.org/resource/1/applab/v99/i18/p181501_s1?isAuthorized=noAppl. Phys. Lett. 99, 181501 (2011); http://dx.doi.org/10.1063/1.3656338 (3 pages)
      Simultaneous generation of ions and high-order harmonics from thin conjugated polymer foil irradiated with ultrahigh contrast laser
      I. W. Choi1, I J. Kim1, K. H. Pae1, K. H. Nam1, C.-L. Lee1, H. Yun1, H. T. Kim1, S. K. Lee1, T. J. Yu1, J. H. Sung1, A. S. Pirozhkov2, K. Ogura2, S. Orimo2, H. Daido2, and J. Lee1

      4. http://rsi.aip.org/resource/1/rsinak/v83/i6/p063301_s1
      Rev. Sci. Instrum. 83, 063301 (2012); http://dx.doi.org/10.1063/1.4725530 (9 pages)
      Absolute energy calibration for relativistic electron beams with pointing instability from a laser-plasma accelerator
      H. J. Cha, I. W. Choi, H. T. Kim, I J. Kim, K. H. Nam, T. M. Jeong, and J. Lee

      5. http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i23/e234801
      Phys. Rev. Lett. 109, 234801 (2012) [5 pages]
      Laser-Driven Proton Acceleration Enhancement by Nanostructured Foils, D. Margarone1, O. Klimo1,2, I. J. Kim3, J. Prokůpek1,2, J. Limpouch1,2, T. M. Jeong3, T. Mocek1, J. Pšikal1,2, H. T. Kim3, J. Proška2, K. H Nam3, L. Štolcová1,2, I. W. Choi3, S. K. Lee3, J. H. Sung3, T. J. Yu3, and G. Korn1

      6. http://www.kps.or.kr/home/kor/journal/library/abstract_view.asp?articleuid={486F680D-C3C4-4D3D-851D-4547693DE3EF}, ,새물리, Volume 62, Number 6, 2012년 6월, pp. 636~642. 우주선 뮤온 검출을 위한 CAU 다선비례검출기 설계와 제작, 이지훈, 김태현, 남기환, 박현정, 송두리, 신재철, 오민기, 이종훈, 이필수, 진경환, 김시연.

      7. http://spie.org/app/program/index.cfm?fuseaction=conferencedetail&symposium=EOO13&conference_id=1081425#2021196, SPIE2013 proceeding. Jan Prokupek, et. al., and 남기환.
      http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=1686136

      8. http://arxiv.org/abs/1304.0333
      Towards radiation pressure acceleration of protons using linearly polarized ultrashort petawatt laser pulses
      I Jong Kim, Ki Hong Pae, Chul Min Kim, Hyung Taek Kim, Jae Hee Sung, Seong Ku Lee, Tae Jun Yu, Il Woo Choi, Chang-Lyoul Lee, Kee Hwan Nam, Peter V. Nickles, Tae Moon Jeong, Jongmin Lee
      (같은논문: Transition of Proton Energy Scaling Using an Ultrathin Target Irradiated by Linearly Polarized Femtosecond Laser Pulses, Phys. Rev. Lett. 111, 165003 – Published 16 October 2013, I Jong Kim, Ki Hong Pae, Chul Min Kim, Hyung Taek Kim, Jae Hee Sung, Seong Ku Lee, Tae Jun Yu, Il Woo Choi, Chang-Lyoul Lee, Kee Hwan Nam, Peter V. Nickles, Tae Moon Jeong, and Jongmin Lee, http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.165003 )

      9.Experimental test of TOF diagnostics for PW class lasers
      J. Prokůpek, D. Margarone, D. Kramer, T. Mocek, J. Limpouch, I. J. Kim, T. M. Jeong, K. H. Nam, G. Bertuccio, D. Puglisi, G. Korn
      Proc. SPIE 8779, Laser Acceleration of Electrons, Protons, and Ions II; and Medical Applications of Laser-Generated Beams of Particles II; and Harnessing Relativistic Plasma Waves III, 87790W (May 7, 2013); doi: 10.1117/12.2017636

      10.Laser-Driven Proton Acceleration Enhancement by Nanostructured Foils
      Phys. Rev. Lett. 109, 234801 – Published 3 December 2012
      D. Margarone, O. Klimo, I. J. Kim, J. Prokůpek, J. Limpouch, T. M. Jeong, T. Mocek, J. Pšikal, H. T. Kim, J. Proška, K. H Nam, L. Štolcová, I. W. Choi, S. K. Lee, J. H. Sung, T. J. Yu, and G. Korn

      1. 답변

        2017년 6월 8일 at 10:45 오후

        답변 감사합니다.

        그런데..중앙대 김시연 선생님 연구실을 졸업한 김시연씨의 출판된 연구 업적들을 위에 나열해주셨는데…..

        본인이신가요?.

        1. snowall

          2017년 6월 8일 at 11:05 오후

          네. 저 위에서 K. H. Nam 또는 Keehwan Nam이 접니다.

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