フォトダイオードとフォトトランジスタを最も効率良く使用する方法

著者 Bill Schweber氏

Digi-Keyの北米担当編集者 の提供

フォトトランジスタおよびフォトダイオードは、位置/プレゼンスセンシング、光強度測定、高速光パルス検出などのアプリケーションで、入射光を電流に変換する電気光学トランスデューサと密接な関係があります。しかし、これらのデバイスを最大限に活用するためには、設計者がインターフェース回路、波長、および光学面と機械面の整合に特別な注意を払う必要があります。

たとえば、変動する強度と条件のもとで最大の電流を引き出すには、適切なインターフェース回路が必要です。しかし、効果的なアプリケーションを実現するには、フォトトランジスタとフォトダイオードの動作原理を理解し、それぞれがどう異なるのかを知る必要があります。

この記事では、これらのデバイスの動作原理、パラメータに関する重要な考慮事項、デバイスアプリケーションの微妙な差異について、サンプルソリューションを示しながら説明します。

フォトダイオードおよびフォトトランジスタの基礎と特性

フォトダイオードは光を吸収すると電流の流れを生成します。図1に2種類のフォトダイオードを示します。1番目はよく知られた光起電ダイオード(ソーラーセル)で、光が当たると電流を生成します。2番目は光導電体で、逆バイアスフォトダイオードとしてはたらきます。フォトダイオードに光が当たると、逆バイアス電流に対する抵抗が減少します。

この電流を測定することで、入射光の強度を計測できます。別の見方をすると、フォトダイオードが電流の流れを制限する役割を果たし、光が増えると制限が減少します。フォトダイオードは、ほぼすべてのケースで、トランスインピーダンスアンプ(TIA)などのアンプを接続して使用し、電流の流れを有効な信号に変換する必要があります。

イメージ:フォトダイオードおよびフォトトランジスタには異なるパッケージングが必要

図1:レンズとセンサダイへの光路が必要なので、フォトダイオードおよびフォトトランジスタには従来のダイオードおよびトランジスタとは異なるパッケージングが必要です。(画像提供:Learnabout-electronics)

フォトトランジスタはベース端子が露出したトランジスタなので、フォトダイオードよりも多少複雑になります。光子がデバイスに当たるとトランジスタが作動しますが、その他の点では従来のトランジスタと動作は変わりません(初期のソリッドステートデバイスは、いくつかのトランジスタと多数のダイオードが透明なハウジングにパッケージングされていたので、回路に当たる光の強度によって回路の動作が不安定になっていました)。フォトトランジスタに相当する回路は、出力光電流が小信号トランジスタのベースに流れるフォトダイオードになります(図2)。

図:フォトトランジスタの電気的および物理的モデル

図2:フォトトランジスタの電気的および物理的モデルは、出力光電流が小信号トランジスタのベースに流れるフォトダイオードです。(画像提供:Mechapedia/Northwestern University)

フォトトランジスタは3端子デバイスなので接続方法が複数ありますが、エミッタ接地(CE)アンプとコレクタ接地(CC)アンプが最もよく使用される構成です(図3)。CE構成では光によって出力がHIGH状態からLOW状態になり、CC構成では状態遷移が逆になります。

図:エミッタ接地またはコレクタ接地によるフォトトランジスタの接続

図3:フォトトランジスタはトランジスタと同様に、エミッタ接地(左)またはコレクタ接地(右)構成で接続できます。(画像提供:ON Semiconductor)

フォトダイオードには当てはまらないもう1つの重要な考慮事項として、フォトトランジスタはアクティブモードまたはスイッチモードで使用できるという点があります。アクティブモードのトランジスタは、光強度に比例する線形出力を持つアナログエレメントです。スイッチモードのトランジスタはデジタルエレメントとして動作し、カットオフ(オフ)または飽和(オン)状態のどちらかになります。

この動作モードは負荷抵抗RL(図3ではRcまたはReと表示)の値によって決まります。アクティブモードになるのは、VCC > RL × ICCのときで、スイッチモードになるのはVCC < RL × ICCのときです。ここで、ICは最大予測電流で、VCCは電源電圧です。光強度を評価するためにフォトトランジスタを使用する場合、アクティブモードを使用します。スロットにカードがあるかどうかなど、光の存在を検出するために使用する場合はスイッチモードを使用します。

フォトトランジスタとフォトダイオードは密接に関係していますが、実際には性能が異なります。一般に、フォトダイオードはフォトトランジスタよりも広い周波数応答を持ち、1~2桁高速に動作するように製造できます。このため、高速光ファイバリンクでの光パルス検出に使用されます。ただし、フォトトランジスタは単体でアプリケーションに十分な電流ゲインを得る場合があるのに対し、フォトダイオードは外付けアンプを必要とします。

また、温度が変化する場合、光に対する感度、リーク電流、応答速度を含むフォトダイオードの性能パラメータは、フォトトランジスタの性能パラメータほどは変動しません。

電気的な問題にとどまらない設計上の課題

フォトトランジスタおよびフォトダイオードはその性質上、光によって活性化されます。このため、言うまでもありませんが、光が着実にフォトデバイスに届く明確な光路が設計に含まれている必要があり、この光路は、製品寿命を通じて通常の製品使用中に光源からセンシング面までまっすぐに維持されていなければなりません。

フォトトランジスタまたはフォトダイオードの配置に関する機械的な問題は、アプリケーションや使用モード、ユーザーとのやり取りなどの多数の要因に左右されるので、製品設計ではこれらを慎重に検討する必要があります。この経路の一貫性は非常に重要です。製造公差、基板の屈曲、埃、その他の若干例外的な使用による軽微な変化も考慮にいれる必要があります。

標準的なフォトダイオードおよびフォトトランジスタの光電力半値許容角は、ダイサイズ、レンズ配置、スペーシングによって、±10°~±30°の範囲で変動します。アプリケーションの配置によっては、より広い、またはより狭い許容角が望ましい場合があります。

また、光電性の高い部品に周囲の光源から不要な光が当たるなど、逆の状況が問題になる場合もあります。このようなケースでは、おそらく、外付けの光シールドや、内蔵の光ブロック、波長バンドパスフィルタを追加するか、または、センサへの光路に対するエミッタ出力を妨げずにセンサを奥まった場所に配置することが必要になります。そのためには、たいていの場合、電気的、光学的、機械的な問題の複合化を含んだ、相反する目標の中で「スイートスポット」またはバランスポイントを見つけなければなりません。

電気的な観点と光学的な観点、設計上のトレードオフを反映した性能パラメータ

これらのデバイスには電気的な仕様が多数ありますが、電気的な観点と光学的な観点が組み合わせられた考慮事項もあります。例を挙げると、特に、スペクトル応答、感度およびゲイン、直線性、暗電流、応答速度、ノイズなどです。

スペクトル応答:スペクトル応答は、おもにデバイスのベース材料とドーピングによって決まります。シリコンベースのデバイスのピーク感度は近赤外線(IR)範囲内の帯域にあり、約840ナノメーター(nm)ですが、その他の波長に合わせて最適化したデバイスも提供されています。

フォトトランジスタおよびフォトダイオードは、基盤となるソリッドステートの物理的性質が基本的に同じなので、スペクトル感度もほぼ同等です。ただし、フォトトランジスタの拡散接合は、結晶シリコンウェハではなくエピタキシャル膜で形成されているので、フォトトランジスタのピーク応答が標準的なフォトダイオードよりもやや短い波長になります。

つまり、デバイスに当たる光源が、LED、日光、または別の光源からの周囲光のいずれであっても、効果的な機能を実現するには、フォトデバイスに対応する感度帯で出力を提供する必要があります。幸いなことに、標準LEDの出力スペクトラムは、シリコンベースのフォトセンサの感度範囲内にあります。

感度とゲイン:感度とゲインによって、デバイスが光子から電流に変換するときの効率が決まります。量子効率とも呼ばれるこの効率は、電流に対する入射光子エネルギーの比率を表すものです。フォトダイオードは、数ナノアンペア(nA)から数マイクロアンペア(µA)までの非常に低い電流しか生成しません。従来の小信号トランジスタと同様に、フォトトランジスタは固有のゲインによって大幅に高い電流を生成しますが、ベース駆動、バイアス電圧、温度によって変動します。

直線性:フォトダイオードの出力は広い範囲にわたって線型になり、標準で70~90倍の光強度になります。対照的に、フォトトランジスタのコレクタ電流(IC)は、わずか30~40倍の線型にすぎません。これは、フォトトランジスタのDCゲイン(hFE)が、ベース駆動に依存するコレクタ電流に応じて変化するためです。試験および測定装置など、直線性を必要とするフォトトランジスタアプリケーションもいくつかありますが、基本的なプレゼンスセンシングなど、その他の用途では必要ありません。

その違いは、どのコンポーネントデバイスを設計時に考慮するかに関係し、直線性要件が低くなれば、選択肢が増えてコストが下がります。

暗電流:フォトダイオードの暗電流は、デバイスが完全に暗状態にあっても流れることのできる電流であり、内部ノイズによって変動します。フォトトランジスタの暗電流は、コレクタベース接合のリーク電流にトランジスタのDC電流ゲインをかけ合わせたものです。暗電流があると、フォトトランジスタが理想スイッチとして完全に「オフ」になることができません。

応答速度:フォトダイオードはフォトトランジスタよりも高速ですが、この速度は、トランジスタのコレクタベース接合の容量と負荷抵抗値によって決まります。一方で、有効なフォトダイオードには外付けアンプが必要なので、総合的な応答速度に影響します。通常、立ち上がり時間と立ち下がり時間(それぞれ、10%から90%までと90%から10%まで)は対称形になりますが、フォトトランジスタが飽和状態に駆動された場合は立ち下がり時間が増加します。ナノ秒およびフェムト秒レベルの応答時間を持つフォトダイオードが商用に提供されています。

ノイズ:ノイズという避けられない問題に触れることなく、電子部品の説明が終わることはありません。フォトダイオードおよびフォトトランジスタには、ショットノイズ、暗電流ノイズ、サーマルノイズ、生成再結合ノイズ、読み出しノイズなど、さまざまな形のノイズが生じます。それぞれのノイズは基盤となる物理要因のせいで生じるもので、デバイス製造方法と動作条件(電圧、温度、負荷)が異なると、ノイズの原因に対する重み付けも変わります。ほとんどの量販市場の民生用アプリケーションにとって、ノイズは重要な考慮事項にはなりません。計装および超高速データリンクでは、特に光レベルが非常に低い場合、大きな問題になることがあります。

これらの性能パラメータに関して、設計者が明らかにしなくてはならない問題が2つあります。はじめに、各種ベンダー製のデバイスを調査および比較するときに、テスト条件を確認する必要があります。光学配置、電圧、負荷抵抗などの要因が異なると、性能も大きく変わってくるので、同等の条件を使用することが重要です。特定の部品を選択する場合は、その部品をデータシートに規定された条件で使用しなければなりません。それが不可能な場合は、追加のテストまたは内挿が必要です。

もう1つの問題は、特定のアプリケーションで重要になる仕様とその程度を明確にすることです。たとえば、通信光ファイバリンク用のフォトダイオードにとっては速度が気になりますが、ソースLEDのスペクトルは既知であり、総合的な感度の組み合わせが設計に盛り込まれたセンサに合わせられるので、スペクトル応答はそれほど重要ではありません。

その一方で、スロットにクレジットカードが挿入されたかどうかを検出するために使用されるフォトトランジスタに速度は必要ありませんが、多岐にわたる実際の動作シナリオで確実に動作するために、低暗電流と一定したゲインが求められる場合があります。

一般的なガイドラインとして、フォトダイオードの性能を決めるのは、主に材料、ドーピング、パッケージングと、光電性の高い材料のダイサイズです。フォトトランジスタでも大半は同じ要因が当てはまりますが、それ以外にトランジスタゲインが影響します(表1)。

検出チップサイズによる影響
パラメータ チップサイズの縮小 チップサイズの拡張
感度 低くなる 高くなる
応答速度 速くなる 遅くなる
暗電流 低くなる 高くなる
トランジスタゲインによる影響(HFE
パラメータ ゲインHFEの減少 ゲインHFEの増加
感度 低くなる 高くなる
応答速度 速くなる 遅くなる
暗電流 低くなる 高くなる
温度係数 小さくなる 大きくなる

表1:光電性の高い材料のダイサイズによるフォトダイオードおよびフォトトランジスタの性能と、トランジスタゲインがフォトトランジスタに与える影響(画像提供:Digi-Key Electronics)

光学的な観点から電気的な観点への遷移を可能にする部品

代表的なシリコンフォトダイオードにEverlightPD15-21B/TR8があります。この製品の赤外線スペクトル応答帯域幅は730~1100nmで、ピーク感度は940nmです(図4)。黒のプラスチック面実装デバイスは、コピー機、ゲーム機、カードリーダーなどの基本的な民生機器向けです。この1.5 × 3.2 × 1.1mmのデバイスの最大出力電流は、875nmの入射IR光源と1mW/cm2の電力使用時に0.8µAです。応答時間は6ナノ秒(ns)で、最大暗電流は10nAです。このフォトダイオードはSMTデバイスで、リード線付きデバイスと比べると多数の実装オプションを提供していますが、たとえ基板上のその他の部品の許容範囲と比べて「軽度」であったとしても、データシートに規定されたリフロー温度プロファイルを超えないようにしてください。

グラフ:EverlightのPD15-21B/TR8シリコンフォトダイオードのスペクトル出力

図4:EverlightのPD15-21B/TR8シリコンフォトダイオードのスペクトル出力は、約950nmでピークになり、帯域幅は約370nmです。(画像提供:Everlight)

ほとんどの場合、フォトダイオード単体では必要な電流を供給することも、実質的な負荷を駆動することもできません。したがって、ほぼ必ず、トランスインピーダンスアンプを併用して、低レベルの高インピーダンス出力を使用可能な電圧に変換する必要があります。TIAはフォトダイオードに低い入力インピーダンスを供給して、入力での小さい電流変動を、出力では大幅に大きい電圧変動に変換します。

設計上の注意:これは、電流を測定するために、既知の電流検出抵抗を使用して負荷電流を電圧に変換するトポロジと同じように見えるかもしれませんが、同じではありません。このトポロジでは、低インピーダンスソースから十分な駆動電流を得られるので、状況は大きく異なります。

たとえば、Analog DevicesのLTC6268は、計装アプリケーション向けの、超低入力バイアス電流および低入力容量のシングルチャンネルFET入力オペアンプです(図5)。

図:Analog DevicesのLTC6268 TIA

図5:Analog DevicesのLTC6268 TIAは計装アプリケーション向けに最適化されており、超低ノイズおよび数フェムトアンペアの入力バイアス電流を実現しています。(画像提供:Analog Devices)

このTIAによってフォトダイオード出力に「負荷」がかかり、その微弱電流が分流しないようにするためには、バイアス電流が室温で3フェムトアンペア(fA)(代表値)、125℃で4ピコアンペア(pA)(最大値)と低く抑えられている必要があります。ローエンド精度に影響を与えるノイズ電流は、最大100kHzでわずか5.5fA/√Hzです。 動的な仕様としては、ゲイン帯域幅積が500MHzで、-3dBでの帯域幅は350MHz(ユニティゲイン)です。RCゲイン設定帰還回路網には、ディスクリート抵抗に加えて、安定性とループ形成のための容量が多少必要になりますが、ほとんどの場合、PC基板の寄生容量で十分なので、スペースを節約し、BOMから部品を1つ除外することができます。

その他のTIAは、計装ではなく光データリンク向けに最適化されています。Maxim IntegratedMAX3658は、最大622Mビット/秒で動作する受光器向けのトランスインピーダンスアンプで、小型フォームファクタのファイバトランシーバに適した機能を備えています(図6)。計装TIAとは異なり、このデバイスは、シグナルインテグリティを維持し、符号間干渉とビットエラーレート(BER)を最小限に抑えるため、75オーム差動同軸ラインを駆動するように設計されています。

図:Maxim IntegratedのMAX3658 TIAの出力

図6:最大622Mビット/秒で動作する光ファイバリンク向けのMaxim Integrated MAX3658 TIAの出力は、シグナルインテグリティを維持するために、平衡型の2本の75オーム同軸ケーブルを駆動するように設計されています。(画像提供:Maxim Integrated)

従来型およびTIAを含むその他のオペアンプと同様に、MAX3658のデータシートには、電流、電圧、速度、温度などをさまざまな観点から示した性能グラフが含まれています。しかし、このTIAは622Mbpsの光リンク向けであり、業界アプリケーション規格を満たしているので、データシートには、各種の動作条件での性能を評価した重要なアイダイアグラムも含まれています(図7)。

図:アイパターンは標準性能指数です

図7:アイパターンは、各種の光入力パワーレベルでのデータ通信リンクの解析に使用される標準性能指数です。(画像提供:Maxim Integrated)

固有のゲインを備えたフォトトランジスタを必要とするアプリケーションに対して考えられる選択肢には、KingbrightAPTD3216P3C-P22 NPNシリコンデバイスがあります(図8)。前のフォトダイオードと同様に、サイズは3.2 × 1.6mmです。光をキャプチャする開口部がデバイス性能に欠かせない要因であるため、光子キャプチャ部品は必ずしも小さいほど良いとは限りません。

イメージ:KingbrightのAPTD3216P3C-P22フォトトランジスタ

図8:KingbrightのAPTD3216P3C-P22フォトトランジスタは、より多くの入射光をキャプチャして高い感度を実現するため、従来型のトランジスタよりもパッケージサイズが大きくなっています。(画像提供:Kingbright)

このデバイスも赤外線放射LED光源のスペクトラムに適合し、約±15°の角感度を備えています(図9)。

イメージ:感度と波長および感度とオフアクシス角度は、不可欠な仕様です

図9:フォトトランジスタなどのデバイスを扱う場合、感度と波長および感度とオフアクシス角度は不可欠な仕様です。(画像提供:Kingbright)

このデバイスはトランジスタでもあるため、その性能仕様は温度による影響を受けやすくなっています。たとえば、25℃で1nAの暗電流は、70℃で約100nAまで増加します(図10)。製品設計解析では、このドリフトを考慮に入れる必要があります。

グラフ:KingbrightのAPTD3216P3C-P22の暗電流と周囲温度

図10:トランジスタでもあるため、KingbrightのAPTD3216P3C-P22の多くの仕様は温度によって左右されます。このグラフでは、温度が25℃から70℃に上がるにつれて、暗電流が1nAから100nAに増加しています。(画像提供:Kingbright)

結論

フォトダイオードやフォトトランジスタなどの光部品は、プレゼンス検出と高性能計装のために使用され、光データリンクには欠かせない部品です。電気的な性質と光学的な性質の両方を備えているため、これらのデバイスの設計においては、電気的、光学的、機械的な課題を慎重に考慮して、特殊な電子インタフェース部品が有効にはたらき、その潜在能力を完全に発揮できるようにする必要があります。

これらの設計上の考慮事項を理解して遵守すれば、検出、計装、光リンクアプリケーション向けのソリューションとして使用できる適切なデバイスは幅広く提供されています。

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著者について

Bill Schweber氏

エレクトロニクスエンジニアであるBill Schweber氏はこれまで電子通信システムに関する3冊の書籍を執筆しており、また、発表した技術記事、コラム、製品機能説明の数は数百におよびます。これまで、EE Timesでは複数のトピック固有のサイトを統括するテクニカルウェブサイトマネージャとして、またEDNではエグゼクティブエディターおよびアナログエディターの業務を経験してきました。

Analog Devices, Inc.(アナログおよびミックスドシグナルICの大手ベンダー)ではマーケティングコミュニケーション(広報)を担当し、その職務を通じて、企業の製品、ストーリー、メッセージをメディアに発信する役割と、自らもそれらを受け取るという技術PR業務の両面を経験することになりました。

広報の業務に携わる以前は、高い評価を得ている同社の技術ジャーナルの編集委員を務め、また、製品マーケティングおよびアプリケーションエンジニアチームの一員でした。それ以前は、Instron Corp.において材料試験装置の制御に関するハンズオンのアナログおよび電源回路設計およびシステム統合に従事していました。

同氏はMSEE(マサチューセッツ大学)およびBSEE(コロンビア大学)を取得した登録高級技術者であり、アマチュア無線の上級クラスライセンスを持っています。同氏はまた、MOSFETの基礎、ADC選定およびLED駆動などのさまざまな技術トピックのオンラインコースを主宰しており、またそれらについての書籍を計画および執筆しています。

出版者について

Digi-Keyの北米担当編集者