포토 다이오드 노이즈 비교 INGaAs VS Si

목차

SWIR(단파장 적외선) 대역을 다루는 광학 엔지니어들이 흔히 마주하는 딜레마가 있습니다. 가시광 영역에서 완벽하게 작동하던 저노이즈 실리콘(Si) 검출기를 내려놓고, 1050nm 이상의 파장을 보기 위해 InGaAs(인듐 갈륨 비소) 소자를 선택하는 순간, 시스템의 노이즈 플로어(Noise Floor)가 급격히 상승한다는 점입니다.

이번 포스트에서는 200µm 활성 영역과 5pF 기생 커패시턴스를 가진 InGaAs 포토다이오드를 중심으로, 왜 이 소자가 실리콘보다 근본적으로 '시끄러운지', 그리고 5pF라는 수치가 고속 회로 설계에서 어떤 의미를 갖는지 비교 분석합니다.

1. 물성의 차이: 밴드갭이 운명을 결정한다

노이즈의 가장 근본적인 원인은 반도체 물질 자체의 밴드갭(Bandgap) 에너지 차이에 있습니다. 포토다이오드가 빛을 감지하려면 전자가 이 에너지 장벽을 뛰어넘어야 합니다.

  • Silicon (Si): 밴드갭이 약 1.12 eV로 높습니다. 상온의 열에너지(Thermal Energy)만으로는 전자가 쉽게 여기되지 않아, 빛이 없을 때 전류(Dark Current)가 거의 흐르지 않습니다.
  • InGaAs: 1050~1400nm 파장의 낮은 에너지를 감지하기 위해 밴드갭이 약 0.75 eV로 낮습니다. 이는 빛을 잘 감지한다는 장점이 되지만, 반대로 "열에 의해서도 전자가 쉽게 튀어 오른다"는 치명적인 단점이 됩니다.
핵심 요약: InGaAs는 태생적으로 실리콘보다 열에 민감하며, 이는 필연적으로 높은 다크 전류로 이어집니다.

2. Round 1: 다크 전류와 샷 노이즈 (Shot Noise)

빛이 없는 상태에서 흐르는 누설 전류인 Dark Current는 샷 노이즈의 직접적인 원인입니다. 약 200µm (0.04mm²) 면적의 동일한 소자를 비교해 봅시다.

구분 Silicon (Si) InGaAs 비고
다크 전류 (ID) 30 ~ 50 pA 100 ~ 500 pA InGaAs가 약 10배 높음
샷 노이즈 밀도 ~4.0 fA/√Hz ~12.6 fA/√Hz 기본 노이즈 바닥 상승

분석: InGaAs를 선택한 순간, 시스템은 실리콘 대비 약 3배 이상의 기본적인 백색 잡음(White Noise)을 안고 시작하게 됩니다. 이는 미세한 SWIR 신호를 검출할 때 SNR(신호 대 잡음비)을 제한하는 1차적인 요소입니다.

3. Round 2: 션트 저항과 열 노이즈 (Johnson Noise)

많은 엔지니어들이 간과하는 것이 바로 션트 저항(Rsh)입니다. 다이오드 등가회로에서 전류원과 병렬로 존재하는 이 저항은 그 자체로 열 잡음을 발생시킵니다.

실리콘 소자는 수 GΩ(기가옴) 단위의 매우 높은 션트 저항을 가져 열 노이즈가 거의 없습니다. 반면, InGaAs 소자는 션트 저항이 수십~수백 MΩ(메가옴) 수준으로 떨어집니다. 계산해 보면, InGaAs의 션트 저항에서 발생하는 열 노이즈는 다크 전류에 의한 샷 노이즈와 거의 비슷한 수준입니다. 즉, 노이즈 소스가 '더블'로 작용하는 셈입니다.

4. The Boss Round: 5pF 커패시턴스의 위협

사용자께서 언급하신 "200µm 크기에 5pF"라는 사양은 이 소자가 InGaAs임을 증명하는 결정적 증거이자, 고속 동작 시 가장 경계해야 할 적입니다.

  • Silicon: 동일 크기에서 약 0.8pF ~ 1pF 수준
  • InGaAs: 높은 유전율과 얇은 공핍층으로 인해 3pF ~ 5pF 수준

왜 5pF가 문제인가? (Noise Gain Peaking)

TIA(Transimpedance Amplifier) 회로에서 포토다이오드의 커패시턴스(Cin)는 증폭기의 전압 노이즈(Voltage Noise)를 증폭시키는 역할을 합니다. 이 현상을 '노이즈 이득(Noise Gain)'이라고 합니다.

특히 주파수가 1MHz를 넘어서는 순간, 이 5pF 커패시턴스 때문에 증폭되는 전압 노이즈가 다크 전류 노이즈를 압도하기 시작합니다. 즉, 고속 통신이나 펄스 검출 응용 분야라면 다크 전류보다 "5pF라는 짐(Load)" 자체가 시스템 성능을 갉아먹는 주범이 됩니다.

5. 결론 및 엔지니어링 솔루션

1050~1400nm 대역을 감지하기 위해 InGaAs는 피할 수 없는 선택입니다. 그렇다면 이 노이즈를 어떻게 관리해야 할까요?

  1. 냉각(Cooling): InGaAs의 다크 전류는 온도가 10°C 낮아질 때마다 절반으로 줍니다. TEC(열전소자) 냉각은 가장 확실한 노이즈 억제책입니다.
  2. 역바이어스 최적화: 역전압을 높이면 커패시턴스(5pF)는 줄어들어 고속 특성이 좋아지지만, 다크 전류는 늘어납니다. 어플리케이션에 맞는 'Sweet Spot' 전압을 찾아야 합니다.
  3. JFET 입력 TIA 사용: 5pF의 소스 커패시턴스 환경에서는 입력 전류 노이즈가 극도로 낮고 입력 커패시턴스가 적은 JFET 기반 Op-Amp(예: OPA657 등)를 선정하는 것이 유리합니다.

댓글

댓글 쓰기