광 다이오드 및 광 트랜지스터를 가장 효율적으로 사용하는 방법

광 트랜지스터와 광 다이오드는 재/부재 감지, 조도 측정, 고속 광 펄스 감지 등과 같은 응용 분야에서 입사광을 전류로 변환하는 밀접히 관련된 전기 광학 트랜스듀서입니다. 하지만 이러한 장치를 최대한 활용하려면 설계자가 인터페이스 회로망, 파장 및 광학 기계 배치에 특히 주의해야 합니다.

예를 들어, 다양한 강도와 조건에서 최대 전류를 추출하려면 적절한 인터페이스 회로망이 필요합니다. 또한 효율적인 응용 제품을 제작하려면 광 트랜지스터와 광 다이오드의 차이점과 작동 원리를 잘 알고 있어야 합니다.

이 기사에서는 이러한 장치의 작동 원리, 파라미터상 중요 고려 사항, 장치 응용 제품의 미묘한 차이에 대해 설명하고 이에 대한 일부 예제 솔루션을 알려줍니다.

광 다이오드 및 광 트랜지스터의 기본 사항과 특성

광 다이오드는 빛을 흡수하면 전류 흐름을 생성합니다. 그림 1에는 두 가지 유형이 나와 있습니다. 첫 번째 유형은 잘 알려진 광발전 다이오드(태양광 전지)로, 빛이 비치면 전류를 생성합니다. 두 번째 유형은 광전도체로 역방향 바이어스 광 다이오드입니다. 광 다이오드에 빛이 비치면 역방향 바이어스 전류에 대한 저항이 감소합니다.

이 전류를 측정하여 입사광의 강도를 판독할 수 있습니다. 다른 관점에서 보면 광 다이오드는 전류 흐름을 제한하는 역할을 합니다. 즉, 빛이 많을수록 제한이 축소됩니다. 대부분의 경우 전류 흐름을 유용한 신호로 변환하려면 광 다이오드를 연결된 증폭기(예: 트랜스 임피던스 증폭기(TIA))와 함께 사용해야 합니다.

그림 1: 렌즈와 센서 다이에 대한 광학 경로가 필요하므로 광 다이오드 및 광 트랜지스터를 기존 다이오드 및 트랜지스터와 다르게 패키징해야 합니다. (이미지 출처: Learnabout-electronics)

광 트랜지스터는 베이스 단자가 노출된 트랜지스터이므로 광 다이오드보다 훨씬 더 복잡합니다. 장치에 충돌하는 광자가 트랜지스터를 작동하는 것을 제외하면, 기존 트랜지스터와 동일하게 동작합니다. SSD 초창기에는 일부 트랜지스터와 여러 다이오드를 투명한 하우징에 패키징하여 회로망에 비치는 빛의 양에 따라 회로가 불규칙하게 작동했습니다. 광 트랜지스터의 등가 회로는 출력 광전류가 미소 신호 트랜지스터로 전달되는 광 다이오드입니다(그림 2).

그림 2: 광 트랜지스터의 전기 및 실제 모델은 미소 신호 트랜지스터로 전달되는 광 다이오드입니다. (이미지 출처: Mechapedia/Northwestern University)

3단자 장치에서는 광 트랜지스터를 다양한 방식으로 연결할 수 있으며, 에미터 접지(CE) 및 콜렉터 접지(CC) 증폭기를 사용하는 구성이 가장 널리 사용됩니다(그림 3). CE 구성의 경우 빛이 비치면 상위 상태에서 하위 상태로 출력이 이동합니다. CC 구성의 경우 상태가 반대로 전이됩니다.

그림 3: 트랜지스터와 마찬가지로 에미터 접지(왼쪽) 또는 콜렉터 접지(오른쪽) 구성을 통해 광 트랜지스터를 연결할 수 있습니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

광 트랜지스터에는 광 다이오드에는 적용되지 않는 다른 중요한 고려 사항이 있습니다. 즉, 광 트랜지스터는 활성 모드 또는 스위치 모드에서 사용될 수 있습니다. 활성 모드에서 트랜지스터는 조도에 비례하는 선형 출력을 가진 아날로그 소자입니다. 스위치 모드에서 트랜지스터는 디지털 소자 역할을 하며, 차단(꺼짐) 상태 또는 포화(켜짐) 상태에 있습니다.

작동 모드는 부하 저항기 값 R_L(그림 3의 R_c 또는 R_e)에 따라 결정됩니다. 표시된 대로 활성 모드는 V_CC가 R_L × I_CC보다 클 때 일어나고, 스위치 모드는 V_CC가 R_L × I_CC보다 작을 때 일어납니다. 여기서 I_C는 최대 예상 전류이고 V_CC는 공급 전압입니다. 광 트랜지스터를 사용하여 조도를 평가 중인 경우 활성 모드가 사용됩니다. 광 트랜지스터를 사용하여 빛의 유무를 감지하는 경우(예: 카드가 슬롯에 있는 경우) 스위치 모드가 사용됩니다.

광 트랜지스터와 광 다이오드는 밀접한 관련이 있지만 성능 차이가 있습니다. 일반적으로 광 다이오드는 1개~2개 정도의 수량일 때 훨씬 더 빠르게 제작될 수 있으며, 광 트랜지스터보다 주파수 응답 범위가 넓습니다. 따라서 고속 광섬유 링크에서 광 펄스 감지에 사용됩니다. 하지만 광 다이오드는 외부 증폭기가 필요한 반면에, 광 트랜지스터는 단독으로 응용 제품에 충분한 전류를 제공할 수 있습니다.

또한 광 다이오드는 온도 변화에 대한 성능 파라미터(빛에 대한 감도, 누설 전류, 응답 속도 등) 변화가 광 트랜지스터보다 크지 않습니다.

단순 전자 장치에 비해 훨씬 복잡한 설계 문제

본질적으로 광 트랜지스터와 광 다이오드는 빛에 의해 자극을 받습니다. 즉, 빛이 광학 소자에 일관되게 도달하도록 설계상 명확한 광학 경로를 제공해야 합니다. 또한 제품을 정상적으로 사용할 때 수명 기간 동안 광원부터 감지 표면까지의 경로가 일관되게 유지되어야 합니다.

광 트랜지스터 또는 광 다이오드의 기계적 배치 문제는 제품 설계에서 신중하게 고려되어야 하는 응용 분야, 사용 모드, 사용자 상호 작용 및 기타 다양한 요소에 따라 판단됩니다. 이 광학 경로의 일관성은 매우 중요합니다. 제조 허용 오차 범위, 기판 휨, 먼지, 기타 예상되거나 비정상적인 사용으로 인한 미미한 변화도 고려해야 합니다.

일반 광 다이오드와 광 트랜지스터의 광학 반치 수광각 범위는 ±10° ~ ±30°이며 다이 크기, 렌즈 배열, 간격 등에 따라 달라집니다. 응용 제품의 배치에 따라 더 넓거나 더 좁은 수광각이 선호될 수 있습니다.

가끔 반대 상황이 문제가 될 수 있습니다. 즉 주변 광원의 원치 않는 조명이 감광성 부품에 표시될 수 있습니다. 이 경우 센서 경로에 대한 에미터 출력을 훼손하지 않으면서 외부 광학 실드, 내부 광학 블록, 광파장 통과 대역 필터를 추가하거나 센서를 쉬게 할 수 있습니다. 이렇게 하려면 전기, 광학 및 기계적 문제를 동반하는 충돌하는 물체 사이의 "스윗 스팟" 또는 균형점을 찾아야 합니다.

전기 광학적 측면인 설계 트레이드 오프를 반영하는 성능 파라미터

이러한 장치에는 복잡한 전기 사양이 적용될 뿐만 아니라 혼합 모드 전기 광학을 고려해야 합니다. 스펙트럼 응답, 감도 및 이득, 선형성, 암전류, 응답 속도, 잡음 등을 예로 들 수 있습니다.

스펙트럼 응답: 스펙트럼 응답은 주로 장치 기본 소재 및 도핑에 의해 결정됩니다. 실리콘 기반 장치는 약 840nm의 근적외선(IR) 범위 이내 대역에서 최고 감도를 나타내지만, 다른 파장에 최적화된 장치도 이용할 수 있습니다.

광 트랜지스터와 광 다이오드는 기본 무접점 물리학 원리가 동일하므로 스펙트럼 감도가 비슷합니다. 하지만 광 트랜지스터의 분산 접합 지점이 수정 방식으로 자란 실리콘 웨이퍼가 아닌 에피택셜 방식으로 형성되므로 광 트랜지스터의 피크 응답 파장이 일반 광 다이오드보다 약간 짧습니다.

즉, 광학 소자가 효과적으로 작동할 수 있도록 '표시되는' 광원(LED, 태양광, 다른 광원의 주변 광원 등)이 해당 감도 대역 이내의 출력을 제공해야 합니다. 다행히, 표준 LED의 출력 스펙트럼은 실리콘 기반 광 센서의 감도 범위 내에 있습니다.

감도 및 이득: 광자를 전류 흐름으로 변환하는 데 소자가 얼마나 효율적인지를 정의합니다. 양자 효율성이라고도 하는 이 정의는 입사 광자 에너지와 전류 흐름의 비율을 나타냅니다. 광 다이오드는 nA ~ 수 A 범위 이내의 매우 적은 양의 전류만 생성합니다. 본질적 이득으로 인해 광 트랜지스터의 전류(기존 미소 신호 트랜지스터의 전류와 비슷함)가 훨씬 더 높지만, 베이스 구동 장치, 바이어스 전압 및 온도에 따라 달라집니다.

선형성: 광 다이오드의 출력은 폭넓은 범위(일반적으로 조도 70~90)에 대해 선형으로 제공됩니다. 이에 반해, 광 트랜지스터의 DC 이득(h_FE)은 베이스 구동 장치에 의해 결정되는 콜렉터 전류의 함수이므로 광 트랜지스터의 콜렉터 전류(I_C)는 30~40 범위에 대해서만 선형을 띕니다. 테스트, 측정 등과 같은 일부 광 트랜지스터 응용 분야에는 선형성이 필요하지만, 기본 재/부재 감지와 같은 기타 응용 분야에서는 선형성이 필요하지 않습니다.

이와 같은 차이는 장치를 설계에 고려할 수 있는 부품과 관련이 있습니다. 선형성 요구 사항이 적을수록 더 많은 분야에 적용되고 비용이 감소됩니다.

암전류: 광 다이오드의 경우 장치가 완전한 암흑 상태에서도 흐를 수 있는 전류이며, 내부 잡음에 따라 달라집니다. 광 트랜지스터의 경우 암전류는 콜렉터 기반 접합 누설 전류에 트랜지스터의 DC 전류 이득을 곱한 값입니다. 광 트랜지스터가 완전히 '꺼지지' 않도록 방지하는 이상적인 스위치입니다.

응답 속도: 광 다이오드가 광 트랜지스터보다 더 빠릅니다. 속도는 트랜지스터의 콜렉터 기반 접합 정전 용량과 부하 저항 값에 따라 달라집니다. 반대로 광 다이오드를 사용하려면 외부 증폭기가 필요하므로 전체 응답 속도에 영향을 줍니다. 광 트랜지스터가 포화 상태(하강 시간이 증가됨)가 아닌 한 상승 시간과 하강 시간(각각 10% ~ 90% 및 90% ~ 10%)은 일반적으로 대칭입니다. 응답 시간이 나노초 및 펨토초에 불과한 광 다이오드는 상용으로 이용 가능합니다.

잡음: 불가피한 잡음 문제를 언급하지 않고는 전자 부품에 대한 설명을 마칠 수 없습니다. 광 다이오드와 광 트랜지스터에는 산탄 잡음, 암전류 잡음, 열잡음, 생성 재결합 잡음, 판독 잡음을 비롯한 다양한 형태의 잡음이 있습니다. 각 잡음 유형은 기본 물리학 인자, 장치 공식 및 작동 조건(전압, 온도, 부하) 등이 서로 다르므로 잡음 출처의 가중치가 달라집니다. 대부분의 대중 시장 소비자 가전 응용 분야의 경우 잡음은 주요 고려 사항이 아닙니다. 계측 및 초고속 데이터 링크의 경우 특히, 매우 낮은 조도에서 잡음은 주요 문제가 됩니다.

이러한 성능 파라미터와 관련하여 설계자가 명확히 해야 하는 두 가지 문제가 있습니다. 첫째, 다양한 판매업체의 장치를 조사 및 비교할 때 테스트 조건은 무엇입니까? 광학 배치, 전압, 부하 저항 및 기타 요소에 따라 성능이 크게 달라지므로 비교에 적합한 조건을 사용하는 것이 중요합니다. 특정 선택을 할 경우, 규격서에 지정된 조건에서 부품을 사용해야 합니다. 그럴 수 없는 경우 추가 테스트 또는 보간이 필요합니다.

명확히 해야 할 기타 문제로는 해당 응용 분야에서 어떤 사양이 중요한지, 얼마나 중요한지 등이 있습니다. 예를 들어, 통신 광섬유 링크용 광 다이오드는 속도가 걱정되지만, 소스 LED 스펙트럼이 알려져 있고 센서와 전체 감도를 일치시켜서 설계 요소로 포함할 수 있으므로 스펙트럼 응답은 그렇게 중요하지 않습니다.

반면에, 슬롯에 신용 카드가 있는지 존재 여부를 감지하는 데 사용되는 광 트랜지스터는 빠른 속도가 필요하지 않지만, 폭넓은 실제 작동 조건에서 안정적으로 작동하기 위해 낮은 암전류와 일관된 이득이 필요할 수 있습니다.

일반적으로 광 다이오드의 성능은 주로 소재, 도핑, 패키징, 감광성 소재의 다이 크기 등에 의해 결정됩니다. 광 트랜지스터의 경우 이러한 요소뿐 아니라 추가적인 트랜지스터 이득 요소에 따라 주로 달라집니다(표 1).

표 1: 광 다이오드와 광 트랜지스터의 성능은 감광성 소재의 다이 크기 및 트랜지스터 이득이 광 트랜지스터에 미치는 효과에 따라 달라집니다(이미지 출처: DigiKey)

광학 전기적 과도 상태를 활성화하는 부품

대표적인 실리콘 광 다이오드는 Everlight PD15-21B/TR8이며, 적외선 스펙트럼 응답 대역폭이 730nm ~ 1100nm이고, 피크가 940nm입니다(그림 4). 검은색 플라스틱 표면 실장 장치는 복사기, 게임기, 카드 판독기 등과 같은 기본 소비자 가전 제품을 대상으로 합니다. 이 1.5mm × 3.2mm × 1.1mm(높이) 장치의 최대 출력 전류는 0.8A(875nm 입사 IR 광원 및 1mW/cm² 전원 사용)이고, 응답 시간은 6ns, 최대 암전류는 10nA입니다. SMT 소자로 사용되는 이 광 다이오드는 납땜 소자에 비해 다양한 실장 옵션을 제공합니다. 기판의 다른 부품에서 허용할 수 있는 것보다 '엄격하지 않지만' 규격서에 정의된 리플로 온도 프로파일을 초과해서는 안 됩니다.

그림 4: Everlight PD15-21B/TR8 실리콘 광 다이오드의 스펙트럼 출력은 약 950nm, 약 370nm 대역폭에서 피크를 나타냅니다. (이미지 출처: Everlight)

광 다이오드 자체만으로는 대부분의 상황에 필요한 전류를 제공하지도, 상당한 부하를 유도할 수도 없습니다. 따라서 낮은 레벨의 고 임피던스 출력을 유용한 전압으로 변환하는 트랜스 임피던스 증폭기와 항상 함께 사용됩니다. TIA는 광 다이오드에 낮은 입력 임피던스를 제공하고 작은 입력 전류 변화를 훨씬 큰 출력 전압 변화로 전환합니다.

설계 주의: 유명한 전류 감지 저항기를 통해 부하 전류를 전압으로 변환하여 전류를 측정하는 토폴로지와 동일한 것처럼 보이지만 그렇지 않습니다. 이 배치는 상황이 매우 다른, 낮은 임피던스 소스에서 상당한 구동력을 가집니다.

예를 들어, Analog Devices LTC6268은 계측 응용 분야를 대상으로 하는 매우 낮은 입력 바이어스 전류와 낮은 입력 정전 용량을 가진 단일 채널 FET 입력 연산 증폭기입니다(그림 5).

그림 5: Analog Devices의 LTC6268 TIA는 매우 낮은 잡음과 단일 숫자 펨토 암페어 입력 바이어스 전류로 입증된 것처럼 계측 응용 분야에 맞게 최적화되었습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

TIA가 광 다이오드 출력 '부하'를 견디고 미미한 전류를 전환하려면 상온에서 3fA(통상), 125°C에서 4pA(최대)의 낮은 바이어스 전류가 필요합니다. 낮은 최종 정확성에 영향을 주는 잡음 전류는 5.5fA/√Hz(최대 100kHz)에 불과합니다. 동적 사양에는 이득 대역폭 곱 500MHz와 -3dB 대역폭(350MHz 단위 이득 기준)이 포함됩니다. RC 이득 설정 피드백 네트워크에서는 안정성과 루프 생성을 위한 정전 용량과 별도의 저항기가 필요하지만, 대부분의 경우 PC 기판의 기생 정전 용량이면 충분하므로 공간을 절약하고 BOM에서 하나의 부품이라도 제거할 수 있습니다.

기타 TIA는 계측이 아닌 광학 데이터 링크에 최적화되었습니다. Maxim Integrated MAX3658은 최대 622Mbits/초로 작동하고 섬유 및 소형 폼 팩터 트랜시버에 상응하는 기능을 제공하는 광학 수신기용 트랜스 임피던스 증폭기입니다(그림 6). 계측 TIA와 달리 이 장치는 차동 75옴 동축 회선을 구동하여 신호 무결성을 유지하고, 부호 간 간섭 및 비트 오류율(BER)을 최소화하도록 설계되었습니다.

그림 6: 최대 622Mbits/초 속도의 광섬유 링크를 대상으로 하는 Maxim Integrated MAX3658 TIA 출력은 균형된 75옴 동축 케이블 쌍을 구동하여 신호 무결성을 유지하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

기존 유형과 TIA를 비롯한 다른 연산 증폭기와 마찬가지로 MAX3658 규격서에는 전류, 전압, 속도, 온도 등을 다양한 관점으로 보여주는 여러 성능 그래프가 포함되어 있습니다. 하지만 이 TIA는 622Mbps 광학 링크용으로 설계되어 산업용 응용 분야 표준을 충족하므로 다양한 작동 조건의 성능을 특징으로 하는 비판적인 시선의 구성도도 규격서에 포함되어 있습니다(그림 7).

그림 7: 아이 패턴은 다양한 광학 입력 전력 수준에 대한 데이터 통신 링크를 분석하는 데 사용되는 표준 성능 지수입니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

본질적 이득이 내재된 광 트랜지스터가 필요한 응용 분야의 경우 Kingbright APTD3216P3C-P22 NPN 실리콘 장치를 선택하는 것이 좋습니다(그림 8). 이전 광 다이오드와 마찬가지로 3.2mm × 1.6mm를 측정합니다. 광 캡처 애퍼처는 장치 성능의 중요한 요소이므로 광자 포획 부품에서 반드시 작은 것이 더 나은 것은 아닙니다.

그림 8: Kingbright APTD3216P3C-P22 광 트랜지스터는 더 많은 입사광을 포획하고 향상된 감도를 제공하기 위해 기존 트랜지스터에 비해 패키지 크기가 커졌습니다. (이미지 출처: Kingbright)

이는 적외선 발광 LED 광원 스펙트럼에도 상응하며 각도 감도는 약 ±15°입니다(그림 9).

그림 9: 광 트랜지스터와 같은 장치를 처리할 때 감도, 파장, 비축 각도를 필수 사양으로 비교해야 합니다. (이미지 출처: Kingbright)

이 장치는 또한 트랜지스터이기도 하므로 여러 성능 사양이 온도에 민감합니다. 예를 들어, 25°C에서 1nA인 암전류가 70°C에서 약 100nA로 증가합니다(그림 10). 이 변화는 제품 설계 분석에서 고려되어야 합니다.

그림 10: 트랜지스터로서, 여러 Kingbright APTD3216P3C-P22 사양은 온도에 따라 달라집니다. 여기서 온도가 25°C에서 70°C로 높아지면 암전류가 1nA에서 100nA로 상승하는 것을 알 수 있습니다. (이미지 출처: Kingbright)

결론

광 다이오드, 광 트랜지스터 등과 같은 광학 부품은 존재 유무 감지 및 고성능 계측에 사용되며, 광학 데이터 링크에 필수적입니다. 하이브리드 전기 광학 특성으로 인해 이러한 부품은 전기, 광학 및 기계 설계 문제와 효율적으로 잠재력을 극대화할 수 있는 특수 전자 인터페이스 부품을 신중하게 고려해야 합니다.

이러한 설계 고려 사항을 파악하여 따를 경우 감지, 계측, 광학 링크 응용 분야에 대한 솔루션으로 사용 가능한 다양한 장치가 있습니다.