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APD
APDs(Avalanche Photodiodes)

APDs(Avalanche Photodiodes)는 역전압를 이용한 내부 이득회로에 의한 고속, 고감도 광 검출기(photodiode) 이다.

광섬유를 이용한 고검도 통신 및 원거리 측정 등 적은 광량을 측정하고자 할 때 등 광범위하게 사용되어 진다.

특히 단일 광자 특성을 가질 때 널리 사용된다.

빛이 검출기에 도달했을 때 소자의 이탈에너지(band gap energy) 보다 빛 에너지가 더 클 경우 전자홀(electron-hole)이 형성된다.

이 때 빛 에너지 E(eV)는 파장에 반비례한다.

   

PN 결합부(PN junction)에 걸려진 역전압(reverse voltage)에 의해 감쇄층에 전자홀이 형성될 때, N+면과 P+면 사이에 PN 결합부와 전기장(electric field)을 통과하여 이동하게 된다.

이 때의 이동 속도는 전기장의 세기에 따른 전자홀의 이동에 의존한다.

즉, 전기장이 적절히 커졌을 때, 하전 입자의 이동이 Crystal Lattice에 근접함으로써 하전 입자 운동 속도가 이들의 평균 이동 속도를 초과하기에 이른다.

이러한 현상은 전기장이 104V/cm 근처에서 나타나기 시작하며, 107V/cm에서 하전 입자 운동 속도가 포화상태에 이른다.

Fig. 1. Schematic diagram of avalanche process

암전류(dark current)는 표면 누설 전류(Ids)의 PN 결합부로의 흐름과 소자 내부 전류(Idg)의 AVALANCHE 영역으로의 방출로 표출된다.

표면 누설 전류는 AVALANCHE 영역으로 흐르지 않음으로써 증배 되지 않지만 소자 내부에서 생성된 전류가 AVALANCHE 영역으로 흐르게 되면 증배 되어진다.

APD의 전체 암전류는 증배율 M에 대하여 다음과 같다.

   

그림 2는 암전류의 역전압에 대한 변화를 나타낸다.

여기서 Ids가 역전압의 상승에 따라 계속하여 증가하지 않는 것은 소진되었기 때문이다.

Fig. 2. Dark current vs. reverse voltage
Fig. 3. Terminal capacitance vs. reverse voltage
Fig. 4. Typical peripheral circuit
PMT
PMT(Photomultiplier)

광전자증배관(光電子增倍管)이라고 불리우며 주로 가시광(可視光) 검출에 사용된다.

전자를 고체표면에 충돌시키면 충돌한 전자 자체의 반사 외에 충돌한 전자로부터 고체 내의 전자에 에너지가 주어져 새로 고체 내의 전자가 표면으로부터 튀어나오는 현상을 2차 전자 방출이라고 하는데, 이 현상을 이용해서 미소한 광전자류를 증폭하는 전자관이다. 2차 전자 증배관이라고도 한다.

구조는 [그림]과 같이 빛을 쬐면 전자(광전자)를 방출하는 광전면과, Cs-Sb, Cs-CsO-Ag, MgO와 같은 2차 전자 방출의 효율이 좋은 물질을 하나의 진공관에 넣은 것인데, 광전면에서 나온 광전자는 광전관처럼 직접 양극으로 가지 않고, 그림의 화살표처럼 차례로 1에서부터 9까지의 2차전자 방출물질에 닿아 증배되고, 최초의 광전면 0에서 발생한 전자는 전체에서 106배 정도로 증폭되어서 양극 10에서 출력으로서 빼내어진다.

이 방법은 광전관의 출력을 트렌지스터 또는 진공관 증폭기로 증폭하는 경우에 비해 훨씬 잡음이 적은 출력이 얻어지므로, 미약한 빛을 검출하는 데 적합하다.

텔레비전의 슬라이드나 필름의 송상(送像)에 사용하는 플라잉 스폿 카메라, 분광광도계, 기타 공업용 측정장치에 널리 사용되고 있다.

단면구조
CPM
CPM(Channel Photomultiplier)

일반적으로 광을 측정하는 방법 및 센서의 종류는 다양하게 있으며 각각의 사용 목적에 따라 측정 방법이나 센서의 선택이 달라지며 이 작업은 쉽게 하지만 선정이 잘못 되었을 경우에는 처음부터 다시 일을 해야 하기 때문에 가장 적합한 센서의 선택은 중요하다고 볼 수 있으며 여러 특정한 디텍터 중에서 여기서 소개하고자 하는 광 디텍터는 기존의 PMT(Photomultiplier)와 APD(Avalanche Photodiodes)를 대치할 수 있는 새로운 고감도 광디텍더인 CPM(Channel Photomultiplier)이다.

제품은 독특한 디텍더 원리를 사용하며 그 결과 극도의 높은 이득값, 높은 Dynamic range, 극도의 낮은 소음 그리고 빠른 반응과 함께 소형 크기의 디자인을 가져왔다. 이 고도성능 디텍터는 발산분광, 형광투시방법, 원자흡수 분광기 사용 그리고 생, 화학 발광과 같은 분석적인 사용용도에 대해 기본적인 장점을 제공한다.

CPM은 또한 생명과학제품, 산업, 의료 장비 그리고 높은 에너지 물리학에 중요한 장점들을 전달한다.

기존의 PMTs와 비교할 때, CPM은 광도의 하나에서 두개의 순서에 의해 무광 잡음을 낮추는 동안 광도의 하나에 의해 양극의 민감성을 향상시킨다. 잡음레벨은 파열없이 시간에 대해 극도의 안정성을 나타낸다.

극도의 낮은 잡음은 기존의 PMTs보다 높은 다이나믹한 범위를 결과로 가져오고 다양한 용도에 대한 감지할 수 있는 제한도 확대한다.

CPM은 Analog-DC mode, 단광자 Counting Mode, 그리고 핵 분광학에도 사용되어질 수 있다(BGO, LSO, Nal 등과 같은 발광물질과 연결될 때).

창재료에 대한 선택과 115nm(UV range)에서 850nm(NIR)까지의 스펙트럼을 커버하기 위한 광음극을 제공한다.

이 새로운 디텍터는 캡슐을 가진 직경 10.5mm인 분필 크기만 하며 작고 정면형 타입이다.

기존의 광전배증관 튜브와 같은 CPM은 매우 낮은 광레벨을 창입구의 안표면에 연결된 반투명의 광음극에 의해 광전자로 전환한다.

음극에서 양극으로의 흐름에서 광전자는 좁은 반도체채널을 통과한다.

전자가 곡선채널의 안벽을 치는 각각의 시간에 다수의 이차 전자들은 발산된다.

이 효과는 108A/W을 초과하는 값을 지닌 증배 효과를 유도하는 길을 따라 복수로 발생한다

CCD
CCD(Charge Coupled Device)

CCD는 미세한 화소가 세밀하게 집적된 형태로, 각 화소는 렌즈를 통해서 받은 빛을 전하로 바꾸어서 그 전하를 축적하는 것이 가능하다.

화소는 컨덴서의 기능을 가지고 있는 것이다.

그래서 각 화소의 위치와 전하의 크기를 가지고 명암의 데이터를 얻을 수 있다.

주의할 것은 CCD 자체로서는 컬러 정보를 얻을 수가 없다는 것이다. 단지 빛의 세기만을 알 수가 있다.

그리고 CCD에서 출력된 시점에서는 아직 전하라고 하는 아날로그 데이터이고, A/D컨버터에서 디지털 데이터로 변환할 필요가 있으며, 스캔 방식에 따른 스캔주기를 가짐으로써 촬상소자로부터의 데이터 변환에는 일정한 시간이 소요된다.

CCD는 전하의 축적을 담당하며 출력명령이 내려지면 지금까지 축적해온 전하를 출력한다.

그러므로 그 전까지는 들어오는 빛을 계속해서 축적하고 있는다.

이것을 이용해 전자셔터가 가능하다.

원하는 시간만큼 전하를 축적하고 있다가 순간적으로 전하를 출력하면 그것이 셔터속도의 개념을 가질 수가 있다 하지만 CCD의 제어만으로는 들어오는 빛을 정확히 차단하기가 어려운 점이 있기 때문에 CCD의 스캔 방식에 따라서 반드시 기계식 셔터를 사용해야만 하는 경우가 있다.

CCD는 입사된 상의 전하의 차를 디지털화하여 상을 구분한다.

이때 전하의 차를 어느 정도의 해상도로 디지털화 하느냐에 따라 그 선명도가 달라질 수 있다.

음전하는 CCD에 빛이 부딪히지 않아도 발행하는 전하로, CCD의 온도가 높으면 높을수록 음전하는 다량으로 발생한다.

발생한 음전하가 전하로써 추가된다 하더라도 그것에 의한 오차가 무시할 만큼이 되기 위해서는 렌즈로부터 들어온 빛에 의한 전하의 절대량을 많게 하는 방법을 생각할 수 있다.

즉 오차를 적게 하기위해 어쨌든 많은 빛을 받아야만 한다는 것이다.

또 빛이 지나치게 많아도 문제는 발생한다.

CCD의 각 화소는 축적 가능한 전하량의 최대치가 있다. 빛의 양이 너무 지나치면 이번에는 전하가 포화가 되어서 거기서부터 전하의 차를 골라내는 것이 불가능하게 되어 버린다.

따라서, CCD에도 적절한 광량이라고 하는 것이 필요하게 되어 있고, 여기서 감도라고 하는 구체적인 수치가 나오고 조리개를 포함해서 그 제어에 셔터스피드의 요소가 필요하게 된다는 것이다.