포토 트랜지스터란?
포토트랜지스터는 빛을 감지하기 위한 반도체 소자입니다.
포토다이오드와 트랜지스터가 결합된 구조로 되어 있습니다. 또한, 패키지에 따라 다양한 형태의 제품이 있기 때문에 용도에 따라 적절한 선택이 필요합니다.
포토트랜지스터의 사용 용도
그림 1. 포토 트랜지스터의 사용 용도
포토트랜지스터는 수광 센서로 광범위하게 사용되고 있습니다. 특히 800nm 부근에 감도 피크가 있기 때문에 적외선의 수광을 목적으로 사용하는 것이 일반적입니다.
구체적인 포토 트랜지스터의 용도 예로는 ‘빛의 강도 측정’, ‘적외선 리모컨의 수신부’, ‘광전 센서 수신부’, ‘광통신’ 등을 들 수 있습니다. 특히 TV나 에어컨 리모컨 등에서 적외선 LED와 함께 사용되는 경우가 많습니다.
광통신 용도로는 인터넷 사업자가 제공하는 기가인터넷 광통신 서비스가 있습니다. 이 통신의 수광부에는 통신에 최적화된 고속 광트랜지스터가 사용됩니다.
또한, 포토트랜지스터는 자동문의 센서로 사용되기도 합니다. 또한, 빛을 감지하여 전류를 발생시키기 때문에 빛으로 구동하는 스위치로 사용되는 등 사용 용도가 매우 다양합니다.
포토트랜지스터의 구조
그림 2. 포토 트랜지스터의 구조
포토트랜지스터는 NPN 구조를 가진 반도체 소자입니다. 이 NPN 구조로 인해 포토트랜지스터는 포토다이오드에 비해 출력 신호를 크게 얻을 수 있다는 특징이 있습니다. (그림 2 왼쪽 그림 참조)
포토트랜지스터의 NPN 구조는 포토다이오드의 출력을 트랜지스터로 증폭합니다. 반도체의 에너지 갭에 해당하는 빛이 입사하면 원자가대 전자가 전도대로 여기됩니다.
이로 인해 N층으로의 이동이 일어나고, 홀은 P층으로 이동합니다. 이 N층에서 P층으로의 이동으로 접합부에서 순방향 바이어스가 발생하여 전류가 흐르는 구조입니다. (그림 2 오른쪽 그림 참조)
포토트랜지스터에 이용되는 트랜지스터는 베이스 전극이 없는 것이 특징입니다. 하지만 수광에 의해 발생하는 광전류가 베이스 전류가 되고, 이 베이스 전류를 컬렉터에서 증폭합니다.
포토 트랜지스터의 특징
베이스 전류의 증폭은 다른 트랜지스터와 마찬가지로 hFE(트랜지스터의 증폭율)배입니다. 그러나 포토트랜지스터의 특성으로 비슷한 hFE배라도 상대적으로 큰 hFE를 가진 것이 사용되는 경향이 있습니다.
이렇게 하면 미세한 포토다이오드 부분의 신호를 큰 컬렉터 전류로 뽑아낼 수 있지만, 컬렉터-베이스 접합부에서는 항상 전류가 누설되고, 이 누설 전류도 증폭된다는 점에 유의해야 합니다.
즉, 포토트랜지스터는 완전히 어두운 환경에서도 미약한 전류가 흐르고 있는 상태입니다. 이렇게 어두운 환경에서도 흐르고 있는 미약한 전류를 암전류라고 합니다. 광트랜지스터에서 발생하는 암전류는 광센서로서 내부 노이즈가 됩니다. 하지만 이 내부 노이즈를 억제하는 것은 가능합니다.
암전류는 온도가 높으면 증가하고, 반대로 온도가 낮으면 감소하는 특성이 있습니다. 따라서 이 특성을 이용하여 소자를 냉각시킴으로써 내부 노이즈를 억제할 수 있습니다.
포토트랜지스터의 기타 정보
1. 포토다이오드와 트랜지스터
그림 3. 포토다이오드와 트랜지스터
포토다이오드는 그림 3의 왼쪽 그림과 같이 빛이 닿으면 빛의 세기에 따라 IV 특성이 아래쪽으로 이동합니다(파란색 선이 녹색 선으로 바뀝니다). 이 IV 특성 변화가 빛의 강도를 측정하는 기준이 됩니다. 그러나 그 출력 전류는 uA 단위이기 때문에 그대로 출력하면 후단의 회로가 복잡해진다.
포토트랜지스터는 포토다이오드와 트랜지스터를 조합하여 포토다이오드에서 수광할 때 발생하는 광전류를 트랜지스터의 직류 전류 증폭률 hFE의 2배로 증폭할 수 있습니다. 따라서 포토트랜지스터가 포토다이오드보다 감도가 좋고, 포토트랜지스터의 출력 전류는 mA 단위가 되기 때문에 후단 회로의 단순화를 실현할 수 있습니다. (그림 3 오른쪽 그림 참조)
포토트랜지스터의 감도는 포토다이오드의 수백 배에 달하며, 더 높은 감도가 필요한 경우 달링턴 접속된 포토트랜지스터를 사용하면 수백 배 x 수백 배의 감도를 얻을 수 있습니다. 이를 통해 수 Lux의 밝기를 감지할 수 있습니다.
2. CDS와 포토 트랜지스터의 차이점
CDS는 CDS 셀 또는 광전도 셀이라고도 하며, CDS는 받는 조도에 반비례하여 저항값이 감소합니다. 즉, 조도가 어두울 때는 저항값이 높아지고, 조도가 밝을 때는 저항값이 낮아지는 특성입니다.
일반적인 CDS의 경우 조도가 어두울 때는 약 1MΩ, 밝을 때는 약 10kΩ으로 저항값이 변화하는데, CDS의 장점은 ‘분호감도 특성이 인간의 시각에 가깝다’, ‘구조가 간단하다’, ‘감도가 높다’, ‘가격이 저렴하다’는 점으로 CDS는 다양한 기기의 검출기로 사용되고 있습니다.
예를 들어, ‘조도계’, ‘카메라 노출계’, ‘자동점멸용 밝기 감지용’ 등이 있습니다. 하지만 CDS의 소자로 사용되는 주요 소재인 황화카드뮴은 환경에 악영향을 미치는 물질입니다. 이 때문에 CDS는 최근 들어 사용 빈도가 줄어들고 있습니다.
반면 광트랜지스터는 조도에 비례하는 출력 전류를 얻을 수 있습니다. 포토다이오드와 트랜지스터가 결합된 구조이기 때문에 감도가 높다는 것도 장점 중 하나입니다.