2 장광센서 (A)

2 장광센서 (A)

광센서 - 광도전셀 (phtcell) : phtcnductivity - 포토다이오드 (phtdide) : phtvltaic effect - 포토트랜지스터 (phttransistr) - 광전관, 광전자증배관 : phtelectric effect CNU EE 2-2

빛의성질 2.1 광센서의기초 파입자이중성 (wave particle duality) 빛은파 (wave) 와입자 (particle) 의성질을모두갖는다. 광파 (light wave) - 광파는전자파 ( 電磁波 ;electrmagnetic wave; EM wave) 의일종 - 광파 ( 전자파 ) 는서로직교하는전계 ( 電界 ) 와자계 ( 磁界 ) 로구성되며, 정현파로진동하는전계와자계에수직한축방향을따라진행 CNU EE 2-3

광센서의주검출대상 - 가시광, 적외선, 자외선을검출한다. - 가시광선 (visible light) : 파장이약 390[nm]~780[nm] 사이인전자파 - 적외선 ( 赤外線 ; infrared; IR) : 가시광선보다긴 0.78[um]~1000[um] 파장의전자파 0.78[um]~2.5[um]: 근적외선 ( 近赤外線 ; nearinfrared; NIR) 2.5[m]~50[um] : 적외선 50[um]~1000[um]: 원적외선 ( 遠赤外線 ;farinfrared; FIR) 또는서브밀리 (subm) 파 - 자외선 (ultravilet; UV) : 가시광선보다단파장의전자파 (1~400[nm]) CNU EE 2-4

광자 ( 光子 ; phtn) 또는광양자 ( 光量子 ; light quantum) - 주파수 v 인빛의광자가갖는에너지 E ph = hn = h c l h = Plank' s cnstant = 6.23 10-34 J s c =nl = light velcity = 2.998 10 8 m/s 광파 (light wave) 광자 ( 光子 ; phtn) CNU EE 2-5

빛의방출과흡수 빛의방출 - 원자내에서높은에너지준위에있는전자가더낮은에너지상태로천이 ( 遷移 ; transitin) 하면빛이방출된다 - 에너지 E 의여기상태에있는전자가에너지 E 의기저상태로천이할때, 에너지차에해당하는빛이방출된다. 그주파수는 n = E2 - E1 h CNU EE 2-6

빛의흡수 - 물체가빛 ( 전자파 ) 을흡수하면, 전자는기저상태에서여기상태로올라간다. - 빛 ( 전자파 ) 을방출하는물체는에너지를상실하고, 흡수하는물체는에너지를얻는다. 발광현상 - 루미네슨스 (luminescence) : 열을수반하지않는발광물체나분자를구성하는원자가빛, x 선, 전자선, 방사선, 전기또는화학반응등의에너지를흡수하여여기상태로된후다시천이하여발광하는현상 ( 예 ) 발광다이오드 (LED), 레이저 (laser). - 열방사 ( 熱放射 ; thermal radiatin) 연속스펙트럼의빛이방출된다. 저온에서는적외선이방사되며, 고온으로감에따라방사량이증가되는동시에단파장의가시광쪽으로이동하여휘도를증가시킨다. ( 예 ) 전구의필라멘트, 태양표면 CNU EE 2-7

광센서의분류 양자형 ( 量子型 ; phtn detectr r quantum detectr) - 전자파의양자를흡수해서전하캐리어 (charge carrier) 로직접변환하는광센서 - 광도전셀 (phtcell), 포토다이오드 (phtdide), 포토트랜지스터 (phttransistr) 등 - 양자형은자외선에서중적외선 (midir) 범위에서동작한다. 열형 ( 熱型 ; thermal detectr) - 적외선을흡수한소자의온도가변화하고, 그결과소자의전기적특성 ( 저항, 열기전력, 전기분극등 ) 이변하는효과를이용하는광센서 - 서미스터 (thermistr), 볼로미터 (blmeter), 서모파일 (therm-pile), 초전센서 (pyrelectric detectr) - 중적외선부터원적외선범위를검출하는데유용하다. CNU EE 2-8

광센서의분류 CNU EE 2-9

광도전효과 2.2 광도전셀 - 반도체에빛을조사하면전자정공쌍 (electrn-hle pair) 이발생하여, 그부분의전기전도도 ( 電氣傳導度 ;electrical cnductivity; 보통도전율이라고부른다.) 가증가하는데, 이것을광도전효과 ( 光導電效果 ; phtcnductive effect) 라고부른다. CNU EE 2-10

CNU EE 2-11 p n e p e n m m s + = s s m m m m m m m m s + D = + D D + + = + D + + D = + = p n p n p n p n ph pe ne e p e n e p p e n n pe ne ) ( ) ( ) ( ) ( 빛조사전 : 빛조사후 : - 따라서, 센서의저항은감소하고흐르는전류는증가한다. 빛에의해도전율은만큼증가한다. Ds L A R s 1 = R R L A R ph D - = + D = s s 1 R V I = I I R V I ph ph D + = = 광전도도 ( 光傳導度 ; phtcnductivity) 광전도도 ( 光傳導度 ; phtcnductivity )

한계파장 (threshld wavelength) 또는차단파장 - 모든빛이광도전효과를나타내는것은아니다. 전자가전도대로올라가기위해서는광자의에너지가에너지갭보다커야한다. c E = hn = h > l ph E g lc c E = h = E l l ph hc E c c = = g g 1.24 E [ ev g ] μm E = ph E g CNU EE 2-12

- 에너지갭이결정되면센서의장파장측의감도한계로차단파장을알수있다. - 광센서재료로흔히사용되는반도체의차단파장 CNU EE 2-13

광도전셀또는포토셀 - 광도전효과를이용한광센서를광도전셀 (phtcnductive cell) 또는포토셀 (phtcell) 이라고부른다. - Phtcell은다음과같이분류된다. 가시광검출 : CdS phtcell, CdSe phtcell 적외선검출 : PbS, PbSe, InSb, InAs, MCT(HgCdTe) CdS 셀 기본구조 Hamamatsu PerkinElmer CNU EE 2-14

CdS 셀의특성 - 분광감도 ( 分光感度 ) 특성 : CdS 셀의최대감도 = 565[nm] 부근의파장 CdS 셀은인간의눈과매우유사한분광감도특성을나타낸다. CdSe 셀의최대감도 = 735[nm] 부근 인간의시감도 CNU EE 2-15

Ambient light measurement - Camera expsure meter - Brightness cntrl DC relay -Smke detectin -Rear view mirrr flipper-aut -Head light dimmer CNU EE 2-16

AC relay -Night light cntrl -Street light cntrl -Flame detectin Object sensing measurement -Beam breaking applicatins -Card reader -Security systems -Clrimetric test equipment -Densitmeter CNU EE 2-17

Bridge circuits -Aut fcus -Electrnic scales -Phtelelctric serv CNU EE 2-18

2.3.1 광기전력효과 2.3 포토다이오드 포토다이오드 (phtdide) 는 pn 접합의광기전력효과를이용해서빛을검출하는광센서. 광기전력효과 (phtvltaic effect) pn 접합 (junctin) 에빛을조사하였을때기전력 ( 起電力 ) 이발생하는현상 CNU EE 2-19

광기전력효과 pn 접합에빛이조사되면, n 영역, p 영역, 공핍층에서전자정공쌍이발생한다. 공핍층에서발생된전자는 n 영역으로, 정공은 p 영역으로내부전계에의해서가속된다 n 영역에서발생된전자는전도대에머무르고, 정공은공핍층까지확산한다음그곳에서전계에의해가속되어 p 영역으로흘러들어간다. p 영역에서발생된정공은가전자대에머무르고, 전자는공핍층을통과해 n 영역으로흘러들어간다. N 광기전력 P 전자는 n 영역의전도대에, 정공은 p 영역의가전자대에축적되고, 이로인해 p 영역이정 (+), n 영역이부 (-) 인전위가형성되어광기전력으로출력된다. CNU EE 2-20

2.3.2 포토다이오드 구조와동작원리 n 형실리콘단결정의표면에 p 형불순물 ( 보통보론 (B)) 을선택확산하여 1[um] 정도깊이의 pn 접합을형성한다. 빛을 p 층방향에서조사하면앞에서설명한바와같이전자정공쌍이발생하여광기전력이발생하고, 외부회로를통해서광전류가흐른다 CNU EE 2-21

전류 - 전압특성 빛이없는상태에서포토다이오드에전압을인가하면곡선 a 와같이일반다이오드의정류특성을얻는다. 외부로부터빛이조사되면광전류 I ph 가발생하고, 곡선은빛의세기에비례해서 b, c 로평행이동한다. 이와같이, 입사광의세기 (G L ) 가증가하면, 포토다이오드의출력전압과전류가증가한다. CNU EE 2-22

출력전류와출력전압관계는 I ut é æ ev ö ù = I ph - I s êexp ç -1ú ë è kt ø û 여기서, k = 볼쯔만상수 (Bltzmann cnstant), T = 절대온도, I s = 역방향누설전류, I ph = 입사광의세기에비례하는광전류 CNU EE 2-23

2.3.5 포토다이오드재료와특성 CNU EE 2-24

광센서 - 광도전셀 (phtcell) : phtcnductivity - 포토다이오드 (phtdide) : phtvltaic effect - 포토트랜지스터 (phttransistr) - 광전관, 광전자증배관 : phtelectric effect CNU EE 2-25

Sensr System Design

- LED 와스위치를이용하여 LED 점등실습 - 기본예제프로그램설명 - 2, 10, 16 진수의관계설명 - 과제내용 기본예제프로그램을활용하여 LED 와스위치간의새로운조합으로나타내기