Avalanche photodiode 스펙 보기 (2)

그럼, 지난 글에서 예고한대로 APD의 스펙을 어떻게 보는지 살펴보자.

그림은 https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/si_apd_kapd0001e.pdf 에서 따왔다.

Spectral response, spectral response range

스펙트럼 응답과 스펙트럼 응답 범위는 가장 먼저 봐야 하는 스펙이다. 어느 제품이 어떤 타입에 해당되는지는 소자에 따라 다르므로 여기서는 이 그래프를 어떻게 해석해야 하는지를 보도록 하겠다.

가로축에는 파장이 써 있고 세로축에는 광민감도가 써 있는데, 광민감도의 단위를 보면 와트당 암페어(A/W)이다. 가령 특정 파장에서 40 A/W의 광민감도를 갖는다면, 그 APD는 1W의 빛이 들어갔을 때 40A의 전류가 흐른다는 뜻이다. 물론 1W씩이나 되는 강한 빛을 쪼이면 APD가 홀랑 타버리므로 그러지 말자. 대체로 APD는 1mW정도가 최대 사용 광도이다. 이보다 더 강한 빛을 쪼이면 APD가 홀랑 타버릴 수 있다. 이 점에 대해서는 Damage threshold를 참고하도록 하자. 아무튼, 이 그래프에서 주로 봐야 하는 것은 자신이 주로 사용할 대역에서 얼마나 민감한지를 보아야 한다. 가령, 위의 그래프에서 검정색 NIR타입의 APD는 약 980nm정도에서 최대 민감도를 갖는데, 그래도 그래프를 그려둔 곳은 400nm에서 1200nm까지 그려놨다. 즉, 사용이 되긴 된다는 뜻이다. 하지만 적은 노이즈로 주력으로 사용할 수 있는 영역은 아무래도 800~1050nm정도의 영역이 될 것이라고 봐야 할 것이다.

스펙트럼 응답 범위에 가장 큰 영향을 주는 요인은 APD를 만드는데 사용한 반도체가 어떤 물질이냐이다. 보통 Si를 쓰는 경우 가시광선 영역에서 좋은 효율을 나타내고, InGaAs(인듐-갈륨-비소)를 쓰는 경우 근적외선 영역에서 좋은 효율을 나타낸다는 점을 알아두자.

Sensitivity & Response speed

민감도Sensitivity는 빛에 얼마나 잘 반응하느냐이다. 응답속도Response speed는 얼마나 빨리 반응하느냐이다. 민감도는 앞에 나온 스펙트럼 응답률과 뭐가 다른가? 일단 단위가 다르다(!) 스펙트럼 응답률은 A/W이고 민감도는 V/W다.

다들 알겠지만, A는 전류의 단위이고 V는 전압의 단위이다. 그렇다면 PD에 빛이 들어왔을 때 생기는 것은 전류인가? 전압인가? 답은 ‘전류’이다. 광전효과에 의해 물질에서 튀어나오는 것은 전자이고, 전자가 흘러가는 현상을 우리는 전류라고 부른다. 그럼 위에 나온 스펙트럼 반응 곡선 얘기 아니던가? 맞다. 그렇다면 여기서 전압이 튀어나오는 이유는 무엇인가? 전류는 흘러야만 전류가 되기 때문이다. 전류가 흐른다면, 그 방향에는 반드시 전기장이 존재하며, 따라서 전압이 존재한다. 이 관계는 V=IR이라고 쓰고 옴의 법칙이라고 읽는 그 공식으로 나타난다. 즉, 만약 같은 전류가 흐르는데 전압이 작다면 PD의 저항이 작다는 뜻이다. 음, 그 사실이 엄청 중요한 것은 아니지만 그렇다는 걸 알 수 있겠다.

그럼 여기에 응답 속도는 왜 관여하는가? 응답속도는 PD가 전류 소자이기도 하지만 축전기Capacitor로 작용하기도 하기 때문에 발생한다. 다들 알다시피 교류 회로에 축전기가 연결되면 축전기는 저항 처럼 작용한다. 정확히는, 저항은 아니지만 전류 흐름에 간섭해서 전류와 전압 사이의 위상 관계를 바꾼다. 그렇게 바꾸는 이유는 교류에 축전기가 충전과 방전을 반복하는데, 그렇게 하는데 시간이 걸리기 때문이다. 충전과 방전에 시간이 걸리지 않는 축전기는 현실에 없다!

자, 생각해보자. 축전기의 용량이 크다면 축전기를 완전히 충전시키는데 시간이 오래 걸린다. 또, 같은 양의 전하가 충전되더라도 그 전압이 작다. 우리에게는 Q=CV라는 공식이 있다. Q가 같아도 C가 크면 V가 작다. 방금 두가지 사실을 이야기했는데, 용량이 크면 충전하는데 시간이 오래 걸린다는 것과, 용량이 크면 전압이 작아진다는 것이다.

전자회로에서 어떤 신호의 검출은 모두 전압을 측정하는 방식으로 이루어진다. 앞에서 광전효과에 의해서 만들어 지는 것이 전류라고 했지만, 그렇게 만들어진 전류 역시 전압으로 변환해야 우리가 측정할 수 있다. 전류를 전압으로 변환하는 가장 간단한 방법은 바로 축전기를 이용하는 것이다. 축전기를 이용하여 전류를 축전기에 충전하면 그 크기는 전압으로 나타난다. 특히, PD의 작동원리에서, 광전효과에 의해서 전자가 생성된다면 생성되는 전자의 수는 PD에 들어온 광자의 수와 관련이 있다. 아주 좋은 PD라고 하더라도 광자의 수 만큼의 전자가 흘러들어올 것이다. 그럼 그 전자를 축전기에 모두 충전한다면, 그만큼의 전압이 신호로 나타나게 된다. 그것도 Q=CV에 의해서 말이다. 그렇다면 그 축전기는 어디에 있는가? 물론 PD를 연결한 회로의 다른 부분에 추가적인 축전기를 달아줄 수도 있겠지만, 기본적으로 PD는 그 자체로 축전기가 된다. 전류가 잘 흐르는 도체라면 양 극단에 전기장이 발생되자마자 자유전자가 흘러서 곧바로 방전되어 버리므로 축전기로 작동하지 않겠지만, 반도체는 그렇게까지 전류가 잘 흐르지는 않는다. 따라서 양 극단에 전기장이 발생된 후 방전될 때 까지 시간이 걸리고, 그 시간동안 축전기로 작용하게 된다. 그 시간동안 축전기로 작용할 때의 전기 용량 C가 PD의 반응속도를 결정하게 된다. C가 작으면 금방 충전하고, 금방 방전되므로 반응이 빠르다.

Q=CV이고 V=IR이다. 그리고 반응속도는 RC에 비례한다. 빛이 짧은 순간동안 들어왔을 때 얼마나 잘 반응하는가는 RC의 값에 따라 달라지는데, R이 작다고 해 보자. R이 작은 경우 전류가 잘 흐르므로 금방 방전되어 버린다. 따라서 반응이 빠르지만, 금방 방전되므로 전압이 커지지 못한다. 그럼 R을 그대로 두고 C를 작게 만들어 보자. C가 작아지면 최대로 충전할 수 있는 전하량인 Q가 작아진다. 그렇게 되면 이번엔 쉽게 충전 용량이 넘쳐버리는, 즉 쉽게 타버리는 PD가 만들어진다. C는 함부로 작게 할 수 없다. 따라서 빠른 PD와 신호가 큰 PD는 서로 양보할 수밖에 없는 관계가 형성된다. 물론 둘 다 필요하다면 최대로 측정할 수 있는 빛의 세기를 약하게 만들어야 한다.

(다음 글에서 계속…)

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