광전소자

요약 빛을 에너지 송신 수단이나 수신 수단으로 사용할 때에 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다. 이용하는 금속에 따라 여러가지 종류가 있으며 직선성과 응답속도가 좋고 암전류도 적다는 장점이 있다.

빛에너지를 전기에너지로 변환하는 소자이다. 물질 안의 가 입사(入射)한 빛에너지를 흡수하여 물질 밖으로 방출되는 현상을 외부광전효과라고 하는데, 그 전자를 광전자라고 한다. 효율적으로 광전자를 얻기 위해 여러 가지 광전면(光電面)이 개발되어 있다. 실제 이용되고 있는 광전면으로는 Sb-Cs면, Sb-Na-K-Cs(멀티알칼리)면, Sb-K-Cs(바이알칼리)면, GaAs(Cs)면, 적외선용 Ag-O-Cs면, 자외선용 Cs-Te 또는 Cs-I면 등이 있다.

이것은 직선성(直線性) 응답속도가 매우 좋고 (暗電流)도 적다. 한편 빛을 쪼임으로써 물질 안의 전자가 에너지를 얻어 들뜨게 되고 그 물질의 전기적 성질을 변화시키는 현상을 내부광전효과라고 하는데, 광도전(光導電) 현상과 (光起電力) 효과가 있다. 에 (光子)가 입사할 때, 그 에너지가 반도체의 금지대(禁止帶) 폭보다 클 때는 전자를 들뜨게 하여 양공(陽孔)과 전도전자(傳導電子)의 쌍을 만든다. 외부에서 을 가하면 이 캐리어가 물질 안을 이동하여 광전류가 흐르는 현상을 광도전 현상이라 한다. 반도체의 p-n접합이나 표면장벽(表面障壁)에 빛이 입사하면 들뜬 전자와 양공은 내부 전기장 때문에 각자 반대 방향으로 이동하여 기전력을 일으키는데, 양측의 전극을 연결하면 단락전류(短絡電流)가 흐르는 현상을 광기전력 효과라고 한다. 측광용(測光用) 광전소자로는 광전면을 이용하는 광전관과 광전자증배관, 내부광전 효과를 이용하는 광도전셀(cell), 광기전력셀, 포토다이오드, 포토트랜지스터가 있다.

광전관(photoelectric tube)은 광전면과 양극을 가진 이극진공관에서 광전자의 흐름을 측정한다. 직선성과 시간응답이 뛰어나 정밀한 측광 등에 이용된다. 가스가 주입된 광전관도 있는데 감도는 높으나 정밀도는 떨어진다. 고감도이면서 정밀성을 갖춘 것으로는 광전자증배관이 있다.

광전도셀(photoelectric cell)은 CdS나 CdSe셀은 직선성 응답속도는 떨어지지만 소형인데다가 취급하기 쉽고 고감도이기 때문에, 노출계나 각종 광검지기 등에 사용된다. 적외선검출기로는 PbS, PbSe셀이 있으며, 암전류를 줄이기 위해서 냉각시켜 사용하는 경우도 있다.

광기전력셀(photovoltaic cell)은 전력을 내기 위한 것으로 태양전지가 있으나, 측광용으로는 포토다이오드가 광기전력셀로서 단락전류를 측정하는 형태로 사용된다. InAs, InSb 등 광기전력형 적외선검출기도 있다.

포토다이오드(photodiode)는 Si 또는 GaAsP 등의 단결정을 사용하며, p-n접합 등 표면장벽을 만든 것이다. 외부 전력 없이도 작동 범위가 넓고 안정성도 우수하므로 분광광도계, 노출계, 문자읽기 장치, 라이트 펜 등에 이용된다. p, n 영역에 고유의 반도체 영역을 끼워넣은 접합구조인 pin형 포토다이오드는 외부전류에 의해 역바이어스를 걸어 더욱 빠르게 작동하므로 광통신 등에 사용된다.

포토트랜지스터(phototransistor)는 n-p-n(p-n-p)접합을 갖는 이단소자(二端素子)로서, 빛에 의해 들뜬 캐리어가 베이스 전류를 주입했을 때와 같이 작용을 하며, 외부 전원을 연결하면 증폭된 전류가 흐른다. 고감도이지만 직선성은 떨어진다.