산탄 잡음 (Shot Noise)
쉽게 풀면
전류는 매끄럽게 흐르는 물줄기처럼 보이지만 실제로는 전자가 하나씩 건너가는 사건들의 합입니다. 접합이나 광검출기처럼 전하가 장벽을 하나씩 넘어야 하는 곳에서는 넘는 시점이 제각각이어서, 평균값 주위로 전류가 미세하게 떨립니다. 빗방울이 지붕을 두드리는 소리가 고르지 않은 것과 비슷한 이치이며, 평균 전류가 클수록 절대적인 요동도 커집니다.
왜 중요한가
광통신 수신기와 광검출기에서는 신호 자체가 광자 수를 세는 일이라 이 잡음이 성능의 궁극적 한계를 정하며, 이를 산탄 잡음 한계라고 부릅니다. 미약한 전류를 다루는 계측에서도 열잡음과 함께 바닥 잡음을 이루므로, 어떤 잡음이 지배적인지를 따지는 일이 회로 구조 선택의 근거가 됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
두 잡음의 전류 의존성이 달라 지배 영역이 바뀌는 지점을 관찰한 사례입니다.
조금 더 깊게 보면
평균 전류 I가 흐를 때 대역폭 B 안의 잡음 전류 제곱 평균은 2qIB로 주어지며, q는 전자의 전하량입니다. 열잡음이 전류와 무관한 것과 달리 이 잡음은 전류에 비례하므로, 신호 전력이 전류의 제곱에 비례하는 검출기에서는 전력을 키울수록 신호대잡음비가 개선되다가 산탄 잡음 한계에서 포화합니다. 전하 이동이 서로 독립적인 사건일 때 성립하는 식이어서, 금속 저항처럼 운반자 사이 상관관계가 강한 경우에는 이 공식이 적용되지 않습니다. 애벌란시 포토다이오드에서는 증배 과정 자체가 무작위여서 추가 잡음 계수가 곱해집니다.
주의할 점
모든 전류에 산탄 잡음이 나타나는 것은 아니며, 장벽을 건너는 과정처럼 전하 이동 사건이 서로 독립적인 경우에 한정됩니다. 전류가 흐르지 않아도 나타나는 열잡음과는 발생 원리가 다릅니다.