Gain은 무엇인가?
이득률Gain이란 신호를 몇배나 증폭시키는가에 대한 이야기이다. 간단히 말해서 Gain이 100이면, 1V의 신호가 나왔을 때 APD에서 방출되는 신호는 100V라는 뜻이다.
Gain이 APD의 스펙에 나타나는 이유는 APD 자체의 특성인 Avalanche 현상 때문이다. 원래 Gain은 비선형 소자인 증폭기Amplifier나 트랜지스터Transistor에서 보는 값인데, APD에서는 Avalanche라는 현상이 그 비선형 현상을 만들어 낸다.
Avalanche현상은 첫번째 글에서 설명했듯이 하나의 광자가 만들어낸 전자가 여러개의 전자로 증폭되는 과정을 말한다. 즉, 여기서의 Gain은 바로 이 상황에서 몇배로 증폭하느냐 하는 배율을 뜻한다. APD 자체를 하나의 축전기로 생각했을 때, 충전된 전압은 충전된 전하량에 비례한다. 즉 Gain이 100이라고 한다면 1개의 전자가 나타났을 때 100개의 전자로 증폭된다는 뜻이 된다. 물론 이 값이 클수록 더 큰 신호를 만들어 낼 수 있다.
Gain을 크게 만들기 위해서는 APD에 인가하는 전압을 높이면 된다. Avalanche 과정이 더 잘 일어나기 때문에 전자가 더 많이 만들어 진다. 하지만 그렇게 되면 잡음 신호도 같이 커지기 때문에 주의해야 한다.
Effective area
유효면적은 APD의 “크기”라고 부를 수 있는 값이다. 유효 면적이 크다면 당연히 더 많은 광자를 받을 수 있으므로 APD의 효율이 좋아진다. 하지만 축전기로서 용량이 커지는 효과가 있으므로 이 부분을 고려해야 한다. 일단 중요한건 적당히 큰 유효 면적을 선택해서 실험을 진행하는 것이다.
Breakdown voltage
Breakdown voltage는 유전파괴가 일어나는 한계 전압이다. Avalanche 현상은 전자와 양공 쌍이 나타났을 때 그 신호가 증폭되는 것이다. 그리고 여기서 중요한 것은, 그 시작은 빛에 의해 나타나야 한다는 것이다. 만약 빛이 없는 상황에서도 그런 일이 일어난다면 그것은 APD의 작동에 방해를 할 뿐이며 실제 신호와 아무 관련이 없다. 만약 역전압이 작게 걸려 있다면 전자와 양공 쌍이 우연히 나타나서 신호의 수준으로 증폭할 확률이 작을 것이다. 하지만 역전압이 너무 큰 경우에는, APD 내부에 존재하는 반도체가 유전파괴를 일으킨다. 유전파괴는 전자가 외부의 강한 전기장에 의해서 자기가 갇혀 있던 퍼텐셜 우물을 벗어나 도망치는 현상이다. 물론 이런 현상이 일어나면 APD의 특성상 그 신호가 증폭되면서 신호가 멈추지 않게 된다. 그리고 만약 그 신호가 너무 크다면 APD를 손상시킬 수도 있다.
(다음 글에 계속…)
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