탐지기

기본원리: 규소의 빛 흡수

  • 원자의 전자는 이산적인 에너지 준위를 가지는 궤도를 점유한다. 결정을 이루는 등 결합이 일어날 때, 가장 바깥쪽의 원자가 전자(valence electron)들끼리 반응해 원자를 결합한다.
  • 결합한 원자의 수가 매우 많을 때는 궤도의 수는 많은데 궤도 사이의 에너지 준위차는 작으므로 에너지 분포가 연속적이라고 가정할 수 있다. 그런데 아무리 많은 원자가 결합해도 궤도가 없는 준위차가 존재하게 되고, 이를 띠틈(band gap)이라 한다.
bandgap.png
  • 고체에는 세 가지 주요 상태가 있다.
  • 금속(metal): 원자가띠와 전도띠가 겹친다. 고체 내에 자유전자가 고루 존재하고 전기장에 따라 움직인다.
  • 절연체(insulator): 매우 큰 띠틈. 자유전자가 없고 전류를 흐르게 하지 못한다.
  • 반도체(semiconductor): 에너지를 얻으면 소수 전자가 원자가띠에서 전도띠로 올라갈 수 있다.
    • 반도체는 주기율표에서 오른쪽에서 4째 열, 14족(규소, 게르마늄, 안티몬 등)에 속한다. 14족 원소를 첨가한 합금도 반도체로 기능한다.
  • 규소 결정구조가 광자를 흡수하면 에너지가 광전자(photoelectron)로 전환된다. 이는 곧 원래 위치인 원자가띠에서 벗어나 전도띠로 이동했음을 말한다.
  • 전도띠에 도달한 전자는 결정 속을 움직일 수 있으며, 전극(electrodes; gate)을 통해 전압을 가해 그 이동을 조종할 수 있다.
  • 규소의 광자 흡수는 광자 에너지에 대한 함수, 곧 파장에 대한 함수로 나타난다. 두께 $z$에서 광자 선속 $I(z)$
(1)
\begin{align} I(z) = I_0 \exp \left[ - \alpha z \right] \end{align}
  • $\alpha$는 흡수계수이다.
  • 온도 300K에서 400나노미터(blue)에 대하여 $\alpha \sim 5 \mu{\rm{m}}^{-1}$, 800나노미터(far red)에 대하여 $\alpha \sim 0.1 \mu{\rm{m}}^{-1}$
  • 온도 77K에서 400나노미터, 600나노미터, 800나노미터에 대하여 흡수계수는 각각 4.0, 0.25, 0.005
  • 붉은(에너지가 낮은) 광자가 규소 더 깊숙히 들어가서 흡수된다.
  • 반도체마다 광전자가 발생하기 위한 광자의 파장이 다르다. $\lambda_c = hc / E_G$
반도체 온도 (K) EG (eV) λc (μm)
Si 295 1.12 1.11
Ge 295 0.67 1.85
InSb 295 0.42 2.95
PbS 77 0.23 5.4
HgCdTe 77 0.5 2.5
  • 결정구조를 이루는 규소 원자가 다른 원자로 대체되었을 때 반도체가 도핑되었다(doped)고 한다.
    • 반도체에 섞어준 불순 원자가 반도체의 원래 원자보다 원자가 전자가 많으면( e.g. 비소, 인) 전도띠에 음(negative)전하를 더해주고, 이를 n-type 반도체라 한다.
    • 반대로 불순 분자가 원자가 전자가 적으면(e.g. 붕소) 양(positive)전하를 띠는 구멍(양공)이 생기고, 이를 p-type 반도체라 한다.
    • n-type 반도체와 p-type 반도체는 전기적으로 중성이다. 자유전자 또는 양공은 발생했으나 전체 양전하 수(양성자 수)와 음전하 수(전자 수)에는 변화가 없기 때문.
Pn-junction-equilibrium-graphs.png
  • 많은 반도체에서 PN 접합(PN junction)이 사용된다
  • n 반도체의 전자가 p 반도체로 확산되고, p 반도체의 양공이 n 반도체 쪽으로 양의 전기 포텐셜을 만든다.
  • n 반도체의 전자가 p 반도체의 양공을 메워 결합함으로써 전자와 양공이 사라진다.
  • 전자와 양공이 사라진 결과 전하 전달자가 없는 공핍영역(depletion region; space charge region)이 생긴다.
  • 정방향 바이어스(forward bias): p형에 양극을, n형에 음극을 연결. 전류는 p에서 n으로 흐르고, 공핍영역은 작아지고, 접합부의 전위장벽이 줄어들어 큰 전류가 흐른다.
  • 역방향 바이어스(backward bias): n형에 양극을, p형에 음극을 연결. 전류는 n에서 p로 흐르고, 공핍영역은 커지고, 접합부의 전위장벽이 커져서 전류가 줄어든다.
  • 광다이오드
    • 원리: 충분한 에너지의 광자가 다이오드를 때리면, 전자가 튀어나와 자유전자와 양공이 만들어진다. 만약 접합부의 공핍영역에서 흡수가 일어나면 공핍영역 내부에 형성된 장에 의해 전하전달자들이 쓸려나간다. 이에 따라 양공은 양극으로, 전자는 음극으로 흘러 광전류가 발생한다.
    • 제로 바이어스 또는 광기전(photoconductive) 상태에서는 전압이 발생하여 정방향 쪽으로, 광전류의 반대 방향으로 전류가 흐르게 한다. 이것이 태양전지의 원리이다.
    • 역방향 바이어스 상태에서는 잡음이 커지는 대신 반응시간이 대폭 줄어든다. 공핍영역이 커지고 접합부의 전기용량은 작아진다. 역방향 바이어스에서는 포화(saturation) 또는 역전류(back current) 같은 매우 작은 양의 전류만 흐를 수 있다.

전하저장, 전하결합, Clocking

mos1.png mos2.png
  • 수많은 화소(pixel)가 모여 이루어진 화상 장치를 만들 때, 우리는 각 픽셀에 광전자를 저장하고 싶다. 고로 우리는 많은 전하를 저장할 수 있는 축전기가 필요하다.
  • 반도체 소자 위에 0.1 마이크로미터 두께의 절연체를 씌우고 그 위에 금속 전극을 얹어 평행판 축전기를 만들 수 있고, 이를 산화금속 반도체(metal-oxide-semiconductor; MOS)라 한다.
  • 물질이 p형이면 전극의 양전압이 양공을 쫓아내고 전하가 공핍된 영역을 만든다. 이는 PN 접합과 유사하다.
  • 광자가 흡수되면 전자-양공 쌍이 생성된다. 양공은 공핍영역 밖으로 쫓겨나고 전자는 전극에 이끌린다.
  • MOS 축전기는 평행판 축전기 두 개(산화물 축전기, 규소의 공핍영역 축전기)가 합쳐진 것으로 볼 수 있다.
  • 전기용량은 $C = A\ \kappa\ \epsilon_0 / d$ 로 주어지고, 이때 $d$는 두 판 사이의 간격, $A$는 판의 면적, $\kappa$는 절연체막의 유전상수로 산화규소의 경우 $\kappa \sim 4.5$
  • CCD는 비(광자)가 내리는 밭과 같다. 비가 그치고 나면 밭에 널어 놓았던 양동이들(CCD 화소)에 고인 물을 컨베이어 벨트(시리얼 출력 레지스터)처럼 밭의 끝에 있는 양동이에 모아서 물의 양을 잴 것이다.
  • 규소 반도체는 얇은 산화규소 절연체 막으로 덮여 있고 그 위에 금속 전극이 세 줄 있다.

CCD 구조

ccd-const.png
  • Interline CCD
    • 감광성 소자와 비감광성 저장 소자가 번갈아가면서 위치.
    • 노출이 끝난 뒤 바로 옆의 저장 소자로 전자 이동.
    • 그 다음 노출 동안에 저장 소자로 이동한 이전 전자들은 영향 없음.
    • 비디오 카메라 등에 이용
  • Full Frame CCD
    • 어레이 전체가 감광성 소자.
    • 노출이 끝나면 셔터를 닫아 잡광 차단
    • 노출 이후 셔터가 닫히면 전자가 열마다 이동
    • 빛을 받을 수 있는 넓이가 크기에 천문학에서 광범하게 쓰인다.
  • Frame transfer CCD
    • 감광성 소자 부분과 저장 소자 부분이 이분.
    • 저장 소자는 애초에 가려져서 잡광 들어갈 여지 없음
    • 노출이 끝나면 감광 어레이에서 저장 어레이로 전자 이동. 이동이 끝나면 리딩 페이스 시작
    • 인공위성, 우주선 등에 쓰임

CCD 산출

  • 각 열마다 전송되던 전자는 마지막 줄의 출력 레지스터(output register)에서 멎는다. 전극의 CCD의 이미징 부분과 수직으로 배열되어 전하를 세로가 아닌 가로 방향으로 전송되도록 한다.
  • 출력 레지스터는 한 줄 짜리기에 시리얼 레지스터(serial register)라고도 하고, CCD의 대부분은 이에 비해 패러렐 레지스터(parallel resgister)라고 한다.
  • 출력 레지스터의 끝에는 출력 증폭기(ouput amplifier)가 있다.
  • 보통 저장용량을 늘리고 포화를 막기 위해 출력 레지스터는 이미징 부분보다 화소 크기가 크다.

후면 CCD

front-und-backside.png
  • 지금까지 논한 내용은 모두 전면 CCD(front-illuminated CCD)의 내용.
    • 전면 CCD는 빛이 CCD에 닿기 전에 폴리실리콘 게이트(전극)를 통과해야 한다.
    • 이 게이트는 매우 얇기에 긴 파장에서는 투명하게 처리된다.
    • 그러나 400 나노미터보다 짧은 파장에서는 불투명해진다.
  • 후면 CCD는 규소판을 얇게 만들고 산(酸)을 이용한 에칭 기술을 사용해 후면을 깎아서 10 마이크로미터 정도 두께로 만들어 빛이 CCD 위치에 집중되게 한다.
backside-ccd-etching.png
  • 후면 CCD의 단점
    • 얇게 만들어야 하기 때문에 기계적으로 연약하다.
    • 빛이 CCD에 도달하기 전에 복굴절을 일으켜 간섭무늬가 생길 수 있다.

CMOS

  • CMOS: 상보성 금속산화막 반도체
  • 디지털 카메라들은 CCD보다 CMOS를 쓴다.
  • CMOS 역시 빛을 포착하고 광자 에너지를 전기 신호로 바꾸는 기능을 수행한다.
  • CMOS는 광감 소자 각각의 옆에 여분의 전기 회로망이 존재하여 빛에너지를 전압으로 전환한다. 전압을 디지털 데이터로 전환하는 회로도 더해질 수 있다.
  • CMOS는 CCD보다 전력이 적게 들고 판독이 빠를 수 있다.
  • CMOS는 CCD보다 단가가 싸다. 휴대전화 카메라에 널리 쓰인다.

적외선 탐지기

천문학에서의 이용

  • 천문학에서는 CCD를 일반 TV 카메라(30 fps)처럼 사용할 수 없다. 우리는 희미한 목표물을 잡아내기 위해 긴 노출시간을 주어야 한다.
  • readout noise 를 줄이기 위해 판독 속도가 느리다. (e.g. 50kHz for 1Kx1K → 21sec)
  • dark current: 노출시간이 길기 때문에 자체 발열이 있다. 때문에 영하의 온도로 냉각해야 한다.

요약

  • 반도체에서 빛은 광전효과로 인해 전기 신호로 바뀐다.
  • CCD의 기본 구조는 산화금속반도체(MOS)의 2차원 그리드이며
  • 광자가 떨어진 화소에 전하가 누적되어 화상을 만든다.
  • 전하의 패턴은 CCD의 열을 따라 하나씩 하나씩 이동해 마지막 줄의 출력 레지스터에 다다르면서 판독(readout)된다.
  • 현대에 사용되는 CCD는 대부분 buried-channel 방식이다.
  • CCD는 전면 방식과 후면 방식이 있다.
  • 천문학에서 사용할 때 CCD는 영하로 냉각하여 느린 속도로 판독해야 한다.