안녕하세요. 이번에는 이미지 센서의 입력부의 물리적인 개념에 대해서 작성해보려고 합니다. 이를 바탕으로 이후에는 이미지센서에서 발생하는 노이즈를 회로와 접목하여 소개하려고 합니다. 제가 소자에 대한 물리적인 부분은 개념이 부족하여 자세하게 작성하지는 못하였습니다. 제가 공부한 원서는 "Smart CMOS Image Sensors and Applications(2008), Jun Ohta"입니다. 내용이 많은지라 다 공부하지는 못하였고, 제가 이해할만한 부분까지 읽으면서 공부하였습니다.
1. Photodetector
이미지센서의 경우 빛이 들어왔을 때, Photodetector가 전자-전공 쌍(EHP)를 생성하는 것에서부터 시작합니다. photodetector에도 여러 가지 구조가 있습니다. CIS에서 사용하는 대표적인 photodetector 구조 중 하나는 PN junction photodiode(PD)입니다.
빛이 PD에 들어오면 위에서 말한 EHP가 생성되는데 모든 빛이 전자를 만들어 내지는 못합니다. 특정 에너지 크기 이상을 갖는 빛의 입자들이 EHP를 생성할 수 있습니다. 이 기준이 되는 에너지는 반도체의 에너지 밴드갭입니다. 식을 통해 알아보면 다음과 같습니다.
여기서 h는 플랑크 상수이고, c는 빛의 속도이고 lamda는 빛의 파장길이 입니다. 즉, 입사된 빛의 에너지가 밴드갭 이상이어야 EHP쌍을 생성해낼 수 있다고 보면 됩니다.
위의 그림은 빛이 PD에 입사하였을 때, EHP가 생성되는 부분을 표현해 보았습니다. (실제로는 빛은 Surface 부분의 N+영역으로 들어오는 것이고, 제가 간략히 표현하느라 정확히 그리진 못했네요.)
N+ 영역 양의 전압을 인가해주고, P-sub 영역에 ground를 연결해 줍니다. 이 경우, PN 다이오드에는 reverse bias가 걸리고, 이때 accumulation mode로 동작합니다.
PN junction에 Depletion region이 형성되면, electric field가 생성되고 도핑된 이온들이 남아 있게 됩니다.
위 그림에서 보면 입사 된 빛에 의해 생성된 EHP쌍이 각각 Conduction band와 Valence band로 이동합니다. 이때 electric field에 의해 전자와 정공은 drift 하고, P영역에 소수 캐리어인 전자는 diffusion 합니다. 그림에서와 같이 전자는 N영역으로, 정공은 P영역으로 이동하게 되고, 이에 따라 전자는 potential well에 축적됩니다. 이 전자의 흐름이 바로 photocurrent입니다.
추가적으로, EHP로 생성된 전자가 N영역에 쌓이는 정도는 빛의 파장에 달려있습니다. N영역에 빛이 들어온다고 한다면, 파장의 길이에 따라 도달하는 영역이 달라집니다. 짧은 파장의 빛은 depletion 영역에서 EHP를 생성하여 곧바로 potential well에 전자를 축적합니다. 긴 파장의 빛은 P영역에서 EHP를 형성합니다. 따라서 P영역에서 소수캐리어인 전자는 다수캐리어인 정공과 recombination 과정이 발생하여 이중 일부만 diffusion을 통해 signal charge이 되는 전자를 축적합니다.
2. Photocurrent
결과적으로, 빛의 세기가 세지면, 그만큼 광자가 많다는 것을 의미하고, 이에 비례하여 potential well로 이동하는 전자도 많아져서 photocurrent가 증가하게 됩니다.
위 그림은 들어오는 빛의 세기에 따른 photocurrent에 대한 전압-전류 특성입니다. I0는 dark current(추후에 다시 설명하도록 하겠습니다)를 나타냅니다. VR은 N+영역에 걸리는 양의 전압의 크기를 나타냅니다. I_ph는 photocurrent의 크기입니다. 위의 그래프에서 보는 것과 같이 빛의 세기가 셀 수록 photocurrent가 증가합니다.
다음 포스팅은 이미지센서에서는 어떤 노이즈가 있고, 왜 생기는지에 대해 알아보도록 하겠습니다.
읽어주셔서 감사합니다.
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