포토트랜지스터

포토트랜지스터

광 디바이스의 기본 중의 기본인 포토트랜지스터를 설명드리겠습니다. 광 디바이스라고 하면, 포토다이오드를 떠올릴지도 모르지만, 포토트랜지스터는 포토다이오드와 트랜지스터를 조합하여 포토커플러로서 사용되는 것이 일반적입니다.

 

포토다이오드는 반응 속도가 뛰어나 여러 분야에 다양하게 사용되고 있는 반도체지만, 감도가 약하고 미약한 빛을 검출할 수 없습니다. 그래서 포토다이오드에 의해 신호를 증폭시켜 감도를 높인 광센서가 포토트랜지스터입니다. 포토트랜지스터는 베이스 단자가 없고, 포토다이오드와 형상이 비슷한 제품도 많기 때문에 구입 시에는 주의해야 합니다.

트랜지스터와 같이 p형 반도체와 n형 반도체를 샌드위치로 형태로 이용합니다. 베이스-이미터 사이를 순서 바이어스, 베이스-컬렉터 사이를 역 바이어스로 설계했기 때문에 보통 때는 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 빛이 입사하면 PN 접합면에서 광기전력 효과가 생겨 내부의 정공은 p로, 전자는 n으로 이동합니다.

 

베이스-이미터 간은 순서 바이어스로 연결되어 있기 때문에, 이미터에서 베이스로 전자가 흘러 들어가 결과적으로 전류가 흐릅니다. 트랜지스터의 증폭 작용에 의해 이미터-컬렉터 사이의 전류는 수천 배 정도나 됩니다.  즉, 포토다이오드의 미약한 빛도 수백 배로 검출할 수 있게 한 것입니다.

포토트랜지스터(포토커플러)는 입력된 신호를 일단 포토다이오드로 빛으로 변환해, 거기에서 다시 전기 신호로 변환하는 순서를 밟고 있습니다. 이것은 포토다이오드의 증폭뿐만 아니라 입력 측과 출력 측을 전기적으로 절연함으로써 출력 회로에 노이즈 등의 영향을 최소한으로 한다고 하는 메리트가 있습니다.

 

그렇지만 한편으로 구조가 복잡해져 포토다이오드에 비하면 응답성은 떨어집니다. 따라서 고속 광통신 등에는 사용되지 않지만, 가정용 리모컨의 수광 부분 등 우리 가까이에서 자주 이용되고 있습니다. 포토트랜지스터와는 구별되는 것이 많습니다만, MOSFET도 광센서에는 빼놓을 수 없는 트랜지스터 소자이며 고속 스위칭이라고 하는 특성으로부터 고감도·고성능 센서를 실현하고 있습니다.

 

트랜지스터의 용도

트랜지스터는 모든 곳에서 사용되고 있습니다. 오히려 사용되지 않는 전자 기기를 찾는 것이 더 힘들지도 모릅니다.  트랜지스터의 대표적인 특성은 증폭 작용과 스위칭에 의한 전류나 전기신호의 온 오프 전환(제어) 입니다.

파워 반도체를 비롯하여 전력 트랜지스터, 파워 MOS FET, IGBT와 사이리스터 등을 예로 들 수 있습니다만, 주로 전력을 변환하는 소자가 됩니다. 집의 콘센트는 교류가 나오지만, 많은 전자 회로는 직류로만 구동합니다. 그럴 때 전력 반도체를 사용해 교류를 직류로 변환하는데(반대의 경우도 있어), 트랜지스터의 스위칭 기능에 의해서 임의의 파장을 꺼내고, 또한 증폭 작용에 의해서 저전력으로 대전력 회로를 구동시키는 것에 한몫하고 있습니다.
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또, 마이크로프로세서나 메모리라고 하는, 컴퓨터에는 빼놓을 수 없는 소자에도 트랜지스터가 이용되고 있으며 초소형의 스위칭을 담당합니다. 참고로 바이폴라 트랜지스터와 MOSFET 중 어느 쪽이 우수하다는 것은 아닙니다. 가격이나 스펙에 따라 선택하는 경우가 대부분입니다. 다만 MOSFET은 고속 스위칭이 가능하고 비교적 저전력으로도 원활하게 구동하기 때문에 고집적 IC 등에서 자주 사용됩니다.

 

포토트랜지스터는 '빛의 입사를 이용해 전기 신호를 전송한다'라고 하는 특성으로부터 솔리드스테이트 릴레이 등 비접촉식의 디바이스를 만들어 내는 것에 능숙합니다. 이것은 기기의 수명 연장이나 고속화에 한몫을 해 주고 있습니다. 특히 MOS FET는 광센서(광량 센서)에 필수적이라고 할 수 있습니다. 예를 들면 스마트폰에 이용되는 이미지 센서도 외부의 광량에 따른 전기 신호를 발생시켜, 화상 데이터를 만드는 촬영 소자로  MOSFET에 의해서 이루어져 있습니다. 그 외 가스 센서나 방사선 센서 등 모든 센서에 탑재되어 왔습니다.