[물리실험] 광센서를 이용한 빛의 회절 및 간섭

[물리실험] 광센서를 이용한 빛의 회절 및 간섭

 

Ⅰ. 실험목표

- 광센서를 이용하여 빛의 특성인 회절과 간섭현상을 컴퓨터 인터페이스를 통하여 정밀하게 관찰 할 수 있다

Ⅱ. 이론적 배경

1. 광센서(Light Sensor)

 

광센서 (Light Sensor)

(1) 개요
빛을 검출하여, 측정 가능한 양으로 변환하는 소자로서 주로 제어의 용이함 때문에 전기신호로 변환되는 경우가 많다.

(2) 특징 및 규격
․Sensing element : Si pin photodiode
․Spectral Response : 320nm ~ 1100nm
․Gain levels : 100X, 10X, 1X
․Output voltage : 0V ~ 5V
․Max. Light Intensity 500lux, 50lux, 5lux
․Meaurement : Relative light intensities of daylight
․Setting Sensitivity : Low(1X, above 1V), Med(10X, 1V ~ 0V), High (100X, 0.1V ~ 0V)

 

2. 광센서의 원리

(1) 물질의 전도성

① 가전자대 : 가장 높은 에너지 준위로 비록 핵의 인력은 받지만 인력이 약하여 외부의 조건이 맞으면 원자핵의 구속을 벗어날 수 있는 에너지 준위
② 전도대 : 가전자대의 전자가 핵의 구속에서 벗어나 자유전자가 되는데 필요한 에너지 준위
③ 금지대 : 가전자대와 전도대 사이의 에너지 폭으로 가전자는 금지대 폭 이상의 에너지를 받아야 자유전자가 될 수 있다.

④ 도체 : 금지대의 폭이 없어서 가전자대와 전도대가 구별되지 않아 항상 자유전자가 존재한다.
⑤ 부도체 : 금지대의 폭이 넓어서 가전자대의 전자가 전도대로 올라가기 힘들다. 그렇지만 부도체라도 금지대폭 이상의 전압을 가하면 전류가 흐르게 되며 금지대의 폭은 열 에너지에 의해 좁혀질 수 있다. ( 가전자가 8개로 안정되어 있는 경우가 부도체이다.)

⑥ 반도체 : 반도체로 쓰이는 4족 원자들은 서로 4개씩 공유결합을 하고 있으므로 가전자가 8개로 안정된 상태가 된다. 그렇지만 금지대폭이 부도체보다 훨씬 좁기 때문에 열 에너지에 의해 자유전자가 만들어질 수 있다. 즉 절대온도 0K 에서는 완전 부도체이지만 상온에서는 도체로 작용할 수 있다. 순도가 높은 반도체의 경우 열 에너지에 의해 전자들이 공유결합을 깨고 원자로부터 벗어나면 전자가 있던 빈 공간이 생기며 이를 홀(hole)이라 한다. 그러므로 이 반도체의 경우 홀과 전자가 1:1로 생긴다. 그리고 생성된 홀과 전자는 어느정도 시간이 지나면 재결합 하게 되는데 홀이 다른 공유결합의 전자와 재결합 하므로 전자가 이동하는 동시에 홀도 이동하게 된다. 이런 반도체에 불순물을 소량 dopping 함으로써 특이한 전기적 현상을 볼 수 있다.

(2) 다이오드의 원리

① 다이오드 : P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 구조로써 접합면에서 전기적인 복잡한 현상이 일어난다.
② 옆의 그림에서와 같이 접합부에서는 홀과 전자가 서로 상대 영역으로, 즉 캐리어의 농도가 낮은 쪽으로의 확산이 일어난다.
③ 그림처럼 접합부에서 P영역의 홀이 떠난 3족 원자는 음이온이 되고 , N영역의 전자가 떠난 5족은 양이온이 된다. 이런 이온들은 원자 자체가 전기를 띤 것이므로 움직일 수 없다.
④ 홀과 전자의 확산으로 움직이지 않는 이온들을 만들게 되며 이 영역은 홀과 전자가 존재하지 않는 결핍층을 형성하고 전기장이 형성된다.
⑤ 확산이 진행됨에 따라 결핍층 내의 이온수가 증가하게 되고 전기장이 점점 세지게 되며 어느 순간 캐리어가 이동하려는 힘과 저지하려는 전기장의 크기가 같아지면 확산은 중지되고 평형상태에 있게 된다.
⑥ 전기장에 의해 전위차 때문에 P영역의 홀과 N영역의 전자는 상대영역으로 들어갈 수 없게 된다. 이 전위차를 전위장벽이라 하면 실리콘의 경우 0.7V, 게르마늄의 경우0.3V이다. 하지만 외부에서 전압을 인가함으로써 전위장벽을 허물 수 있으며 이때는 홀과 전자가 쉽게 이동 할 수 있는 도체가 된다.① 다이오드 : P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 구조로써 접합면에서 전기적인 복잡한 현상이 일어난다.

(3) 접합 바이어스

① 정상상태의 다이오드는 전위장벽 때문에 캐리어의 이동이 없어서 부도체이다. 그러나 외부에서 적적한 전압을 인가하면 전위장벽을 줄여서 도체를 만들 수 있고, 다른 면에서는 더욱 높여서 확실한 부도체를 만들 수 있다. 이런 외부의 전압을 바이어스(bias)라 한다.
② 순방향 바이어스 (P쪽을 N보다 높은 전압을 가하는 경우) : 이 경우 전위 장벽에 의한 전기장과 바이어스에 의한 전기장이 서로 반대가 되며 그림처럼 전위장벽을 상쇄시킬 수 있으며 높은 바이어스일 경우 전위장벽보다 커지면 쉽게 홀과 전자가 이동하여 도체가 된다. 또한 홀과 전자는 양극의 같은 전압에 의해 밀리게 되므로 결핍층의 폭이 좁아진다.

③ 역 방향 바이어스 : 다이오드의 전위장벽을 강화시키는 쪽으로 바이어스를 건다. 이와 같이 역방향 바이어스의 경우 전위장벽이 증가하여 홀과 전자가 이동할 수 없는 부도체가 된다.참고로 소수캐리어는 쉽게 이동할 수 있게 되며 이에 따른 약간의 전류( 누설전류, 역방향전류)가 흐른다.

(4) 발광 / 광 다이오드
① 발광다이오드 : P.N접합 다이오드로써 순방향 바이어스인 경우 특정한 파장의 빛을 방출한다. LED에 순방향 바이어스가 걸리면 N영역의 전자가 P 영역의 홀과 결합한다. 이는 높은 에너지를 가진 전도대의 전자가 에너지를 방출하며 가전자대로 떨어짐을 의미하며 이 에너지가 빛으로 나타난다.

② 광 다이오드 : 역방향 바이어스에서 작동한다. 빛을 받으면 전류가 흐르는 소자로써 역방향으로 동작하기 위해 외부 전원을 필요로 한다. 즉 역방향 바이어스는 작은 누설 전류가 흐르며 이는 온도가 증가하면 누설전류도 증가한다. 광 다이오드는 열 대신에 빛에너지를 가하여 누설전류의 효과를 증가시킨 것으로 대부분 증폭하여 사용한다.

(5) 광 다이오드의 원리

① 내부 광전효과 : 전열체 및 반도체에 빛을 조사하면 불순물 준위에 있는 전자가 광에너지를 흡수하여 전도체에 올라가 자유로이 움직일 수 있는 전자, 또는 양공이 생겨 전도도가 증가하는 현상

② PN접합에 빛이 쪼이면 빛 에너지를 받아 전자-정공쌍이 발생한다．공핍 영역에서 발생된 전자-정공쌍은 전계의 영향으로 전자는 n형 중성영역으로, 정공은 p형 중성 영역으로 내려 간다. 공핍 영역　끝으로부터 거리내에 발생된 p형의 전자나 n형의 정공은 확산해서 공핍 영역 내로 들어 갈 수 있다.

③ 이 결과로 p형쪽에는 정공이 n형쪽에는 전자가 축적되게 되어 접합의 전극에는 기전력이 발생하게 되고 외부 회로에 전류를 흘릴 수 있게 된다.

④ 광기전력 효과 : 광전효과의 하나로 빛의 조사에 의해 기전력이 발생하는 현상

3. 거리에 따른 빛의 세기

① 점광원으로부터 X만큼 떨어진 곳에 위치한 구의 표면의 한 점이 가지는 빛의 세기는 4πX에 반비례한다

4. 빛의 회절과 간섭

① 단일슬릿에 의한 회절

② 이중슬릿에 의한 간섭

③ 다중슬릿에 의한 회절

 

Ⅲ. 실험도구 및 방법

1. 실험도구 및 재료

① 컴퓨터 인터페이스와 광센서, 딘커넥터
② 레이져 발생장치, 단일슬릿, 이중슬릿, 다중슬릿, 실험받침대
③ 전동수레, 레일, 회전센서

2. 실험과정

이중(다중) 슬릿에 의한 간섭무늬 관찰
① 실험실을 암실 상태로 만든다.
② 센서와 실험도구를 다음과 같이 조립한다.

③ 적당히 떨어진 거리에 광원(레이져)을 설치하고 빛을 이중(다중)슬릿에 통과시켜 광센서의 수광부에 빛이 들어갈 수 있도록 높이를 맞춘다.
④ 센서를 인터페이스에 연결하고 빛의 양에 따라 Gain 스위치를 조절하고 난 후 실험을 실시한다.

Ⅳ. 실험결과

① 수차례 실험을 거듭하여 수행하였으나 제출기간까지 좋은 데이터를 얻지 못하였습니다. 왼쪽의 자료는 실험매뉴얼에 나오는 것이며 더 실험을 수행하여 자료를 보강하도록 하겠습니다.
② 광센서의 수광부위를 검은종이로 막은 후 작게 틈을 파내어 빛의 들어가는 양을 조절하여 센서의 민감도를 높일 수 있다.

이중슬릿실험 결과

2021.09.14 - [물리 실험] MBL을 활용한 충격량과 운동량 보존 법칙 실험

[물리 실험] MBL을 활용한 충격량과 운동량 보존 법칙 실험

2021.09.14 - [물리실험] MBL을 이용한 공기 저항계수 및 종단속도 측정

[물리실험] MBL을 이용한 공기 저항계수 및 종단속도 측정