1

フォトICダイオードの特性と使い方

技術資料

1 概要

フォトICダイオードは、フォトダイオードから発生する光電流を約1300倍 (または約30000倍)に増幅して出力するフォトICです。出力は電流出力であり、逆バイアスをかけたフォトダイオードと同等に使用することができます。フォトICダイオードは、各種光量の検出に用いられます。一例としては、視感度に近い分光感度特性のタイプはテレビなどの輝度調整用の省エネセンサに使用されます。

特長

フォトICダイオードは、2端子デバイスでフォトダイオードと同じような使いやすさでありながら、フォトトランジス並みの大きな電流出力をします。また、良好なリニアリティ特性をもっています。表1に、フォトICダイオードのラインアップを示します。分

光感度特性については、赤外タイプと視感度補正タイプの2タイプを用意しています。視感度補正タイプは、視感度補正フィルタなしで視感度に近い分光感度特性を実現しています。

［図1］ 分光感度特性

(a) 赤外タイプ (①)

0200

波長 (nm)

相対感度

400 600 800 1000 1200

(Typ. Ta=25 ˚C, VR=5 V)

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

(b) 視感度補正タイプ (②)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.7

0.9

0.6

0.8

1.0

0200 400 600 800

波長 (nm)

1000 1200

相対感度

(Typ. Ta=25 °C, VR=5 V)

視感度

S9648-200SB

KPICB0036JA

KPICB0085JD［表1］ フォトICダイオードのラインアップ

製品 タイプ パッケージ(プラスチック)

最大感度波長(nm)

光電流2856 K, 100 lx

(mA)

S7183① 赤外タイプ

レンズ付SIP650

1.0

S7184 表面実装型 0.18S9066-211SB

②視感度補正タイプ

SIP

560

0.19～0.35S9067-201CT 表面実装型 0.18～0.34

S9648-200SB ヘッドオンタイプ (CdSセル5Rタイプと同じ形状) 0.18～0.34

S10604-200CT 表面実装型 0.21～0.39

S11153-01MT 表面実装型 0.325～0.495

S11154-201CT ③ 表面実装型 580 0.07～0.15

2

(c) 視感度補正タイプ (③)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.7

0.9

0.6

0.8

1.0

0200 400 600 800

波長 (nm)

1000 1200

相対感度

比視感度

S11154-201CT

(Typ. Ta=25 ˚C, VR=5 V)

2 構成

図2は、フォトICダイオードの応用回路例です。フォトICダイオードは、フォトダイオードにて発生する光電流を電流増幅します。

［図2］ 応用回路例 (①)

破線内はフォトICダイオードの概念図を示す

内部保護抵抗(約150 Ω)

電流アンプ(約1300倍)

カソード

Vout

CL RL

アノード

逆バイアス電源

信号用フォトダイオード

3 特性

フォトICダイオードの代表例S9648-200SBの特性について示します。図3は視感度補正タイプの応用回路例です。チップ上には2つの受光部があり、1つは信号検出用受光部、もう1つは近赤外域にのみ感度をもつ補正用受光部になっています。各フォトダイオードで発生した光電流をICチップ内部の演算回路で差し引くことにより近赤外域がカットされ、ほぼ可視光域にのみ感度もった分光感度特性が得られます。この信号を電流アンプで増幅して出力します。図4は光電流の直線性を示します。照度が500 lxを超え

ると、直線性が低下する傾向があります。

KPICB0129JB

KPICC0018JC

［図3］ 応用回路例 (②③)

補正用フォトダイオード

カソード

アノード

CL RL

Vout

逆バイアス電源破線内はフォトICダイオードの概念図を示す

電流アンプ(約30000倍)

信号用フォトダイオード

内部保護抵抗(約150 Ω)

［図4］ 光電流－照度 (S9648-200SB)

照度 (lx)

(Typ. Ta=25 °C, VR=5 V, 2856 K)

光電流

0.1 1 10100 nA

1 μA

10 μA

10 mA

1 mA

100 μA

1000100 10000

［図5］ 暗電流－周囲温度 (S9648-200SB)

10 pA

10 μA

-50 -25 0 5025 75

周囲温度 (˚C)

100

暗電流

(Typ. VR=5 V)

1 nA

100 nA

100 pA

10 nA

1 μA

KPICC0091JC

KPICB0083JD

KPICB0157JB

3

［図6］ 光電流－周囲温度 (S9648-200SB)

0-50 -25

周囲温度 (˚C)

光電流

(相対値*)

0 25 50 75 100

0.2

0.6

1.0

1.4

1.8

0.4

0.8

1.2

1.6

(Typ. VR=5 V, 2856 K, 100 lx, * 25 ˚C時を1とする)

［図7］ 暗電流－逆電圧 (S9648-200SB)

00

逆電圧 (V)

暗電流

(nA

)

2 64 8 10 12 14

1.0

3.0

5.0

2.0

4.0

(Typ. Ta=25 ˚C)

［図8］ 上昇／下降時間－負荷抵抗 (S9648-200SB)

0.1

1

10

100

0.01100 10 k1 k 100 k

負荷抵抗 (Ω)

1 M

上昇／下降時間

(m

s)

(Typ. Ta=25 ˚C, VR=7.5 V, λ=560 nm, Vo=2.5 V)

tr

tf

KPICB0158JB

KPICB0159JA

KPICB0077JA

［図9］ 指向特性 (S9648-200SB)

90°

80°

70°

60°

50°

40°30°

90°

80°

70°

60°

50°

40°30°

20°10° 0° 10°

20°

020406080100 20 40 60 80 100

相対感度 (%)

(Typ. Ta=25 °C, タングステンランプ)

［図10］ 外形寸法図 (S9648-200SB, 単位: mm)

アノードカソード

リード表面処理: Snメッキ梱包: ポリエチレン袋[帯電防止袋]

500個/袋

フィレットタイバー切断面 (バリ含む、メッキなし)

0.13

ϕ5.0

± 0

.2

0.75

± 0

.25

1.5

max

.

(4.3

)

25.4

min

.3.

5 ±

0.3

(1.0

)1.

0 m

in.

2.54 ± 0.5 (リード根元で規定)

(2 ×) 1.0 max. (2 ×) 1.0 max.

受光部中心

受光部 0.46 × 0.32

(2 ×) �0.5

受光面

KPICB0174JA

KPICA0057JD

［表2］ S9648-200SBの絶対最大定格 (Ta=25 °C)

項目 記号 定格値 単位

逆電圧 VR -0.5 ～ 12 V

光電流 IL 5 mA

順電流 IR 5 mA

動作温度 Topr -30 ～ +80 °C

保存温度 Tstg -40 ～ +85 °C

4

［図11］ 比視感度における積分値が同一となる色温度分布

0200

波長 (nm)

光出力

(参考値

)

400 800600 1000 1200

0.2

0.6

1.0

0.4

0.8

(Typ. Ta=25 ˚C)

2856 Kにおいて人が見える照度5500 Kにおいて人が見える照度

比視感度

2856 K

5500 K

図11は、比視感度曲線 (人の目が光を感じる特性)と色温度のスペクトルを示しています。各色温度において人が見える照度が同一になるようにプロットしています。センサの分光感度特性は、比視感度曲線と一致していることが望ましいわけですが、実際にはズレがあります。このズレが色温度誤差出力を発生させます。赤外域の光出力を含む白熱灯と、ほとんど含まない蛍光灯が仮に同一の照度の場合、赤外域に感度をもつセンサが検出した白熱灯と蛍光灯の出力値は異なります。S11154-201CTなどの視感度補正タイプのフォトICダイオードは、外付けの視感度補正フィルタを使用していませんが、分光感度特性を比視感度特性に近づけて色温度誤差出力を低減しています (図12参照)。

KPICB0105JA

［図12］ 光源の色温度－出力

2000 3000 4000 5000 6000 7000

色温度 (K)

相対感度

(28

56 K時を

1とする

)

1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

(Typ. Ta=25 ˚C, 黒体放射束光源)

S9648-200SB

S11154-201CT

4 使い方

フォトICダイオードは光電流を増幅して電流出力するため、負荷抵抗を接続することで大きな出力電圧が得られます。カソードには+電位が加わるように接続してください [図2, 図3]。高周波成分を除去することが必要な場合は、負荷抵抗 (RL)と並列にローパスフィルタ用負荷容量 (CL)を挿入することを推奨します。この場合の遮断周波数(fc)は式 (1)で表されます。

fc = ............ (1)12πCLRL

図13の測定回路例における光電流－逆電圧特性 (光源: LED)を図14に示します。A光源換算の照度ごとに出力曲線を表示しています。出力曲線は、逆電圧 (立ち上がり電圧)約0.7 Vから立ち上がります。

KPICB0106JC

［表3］ S9648-200SBの電気的および光学的特性 (Ta=25 °C)

項目 記号 条件 Min. Typ. Max. 単位

感度波長範囲 λ 320 ～ 820 nm

最大感度波長 λp - 560 - nm

暗電流 ID VR=5 V - 1.0 50 nA

光電流 IL VR=5 V, 2856 K, 100 lx 0.18 - 0.34 mA

上昇時間* tr 10%～90%, VR =7.5 VRL=10 kΩ, λ=560 nm - 6.0 - ms

下降時間* tf 90%～10%, VR =7.5 VRL=10 kΩ, λ=560 nm - 2.5 - ms

* 上昇／下降時間測定方法λ=560 nmLEDをパルス駆動

Vout

負荷抵抗 RL

フォトICダイオード

7.5 V

90%2.5 V

10%

VO

tr tf0.1 μF

KPICC0229JB

5

フォトICダイオードには、絶対最大定格を超えた電流が流れた場合に内部回路を保護するために約150 Ω (±20%)の保護抵抗が入っています。フォトICダイオードの飽和時の逆電圧 (VR)は、Vbe(ON)と保護抵抗 (Rin)の電圧降下の和になります。

VR = Vbe(ON) + IL × Rin ............ (2)

［図13］ 測定回路例

RL

(外部抵抗)IL

Rin=150 Ω(保護抵抗)

フォトICダイオード

Vcc

外部抵抗の電圧降下により、フォトICダイオードの逆電圧 (VR)は式 (3)で表され、図14では負荷線として示されています。

VR = Vcc - IL × RL ............ (3)

図14において、出力曲線と負荷線の交点が飽和域であり、この点から検出可能な最大光量を指定することができます。電源電圧 (Vcc)、負荷抵抗 (RL)により、最大光量が決まりますので、使用条件に合わせて変更してください。

注) Vbe(ON)は約-2 mV/̊C、保護抵抗は約0.1%/̊Cの温度特性をもっています。

KPICC0128JC

［図14］ 光電流－逆電圧 (代表例)

300 lx

600 lx

880 lx

1150 lx

1380 lx

1600 lx

0 1 2 3 4 5

(Typ. Ta=25 °C)5

4

3

2

1

0

立ち上がり電圧

Vbe(ON)≒0.7 V

逆電圧 (V)

光電流

(m

A)

飽和域約1260 lx

飽和域約650 lx

負荷線Vcc=5 V, RL=1 kΩ

負荷線Vcc=3 V, RL=1 kΩ

内部保護抵抗 Rin: 約150 Ω

KPICB0107JC

Cat. No. KPIC9007J05 Aug. 2015 DN

製品の仕様は、改良などのため予告なく変更することがあります。本資料は正確を期するため慎重に作成されたものですが、まれに誤記などに

よる誤りがある場合があります。本製品を使用する際には、必ず納入仕様書をご用命の上、最新の仕様をご確認ください。

本製品の保証は、納入後1年以内に瑕疵が発見され、かつ弊社に通知された場合、本製品の修理または代品の納入を限度とします。ただし、

保証期間内であっても、天災および不適切な使用に起因する損害については、弊社はその責を負いません。

本資料の記載内容について、弊社の許諾なしに転載または複製することを禁じます。

www.hamamatsu.com

仙台営業所

筑波営業所

東京営業所

中部営業所

大阪営業所

西日本営業所

〒980-0011

〒305-0817

〒105-0001

〒430-8587

〒541-0052

〒812-0013

仙台市青葉区上杉1-6-11 (日本生命仙台勾当台ビル2階)

茨城県つくば市研究学園5-12-10 (研究学園スクウェアビル7階)

東京都港区虎ノ門3-8-21 (虎ノ門33森ビル5階)

浜松市中区砂山町325-6 (日本生命浜松駅前ビル4階)

大阪市中央区安土町2-3-13 (大阪国際ビル10階)

福岡市博多区博多駅東1-13-6 (竹山博多ビル5階)

TEL (022) 267-0121 FAX (022) 267-0135

TEL (029) 848-5080 FAX (029) 855-1135

TEL (03) 3436-0491 FAX (03) 3433-6997

TEL (053) 459-1112 FAX (053) 459-1114

TEL (06) 6271-0441 FAX (06) 6271-0450

TEL (092) 482-0390 FAX (092) 482-0550

固体営業推進部　〒435-8558　浜松市東区市野町1126-1　TEL (053) 434-3311　FAX (053) 434-5184

本資料の記載内容は、平成27年8月現在のものです。