フォトダイオードへの逆バイアス電圧のかけ方

質問

まずはじめにタイトルとは少し逸れた質問なのですが、反射センサとかで見られる受光部の回路ってトランジスタのベース部がよく省略されますけど、ベース部って必ずフォトダイオードやダイオードの接合容量がある等価回路の構成を成しているのでしょうか？
省略してるだけで、まさか「ベース部は存在しない」とか無いんですよね？
「フォトダイオードは必ず存在している」ということでよろしいのでしょうか？
ちなみに、等価回路は各センサ内部で構成を成しているのでしょうか？
（つまり、「フォトダイオードは各センサ内に必ず存在している」ということでしょうか？）
素人な質問で申し訳ありませんが、ご教示願います。

本題に戻りますが、フォトダイオードの応答を良くするために、「フォトダイオードに逆バイアス電圧をかける」とよく書籍などに載っていますが、これって具体的にどうやってやるのでしょうか？
回路としては、ごく普通にフォトダイオードのアノード部分に負電圧がかかるよう電源を並列に繋げばいいのでしょうか？
でもこれって、センサの場合もし上記のようにフォトダイオードがセンサ内部に存在している場合、どこにどうかければいいのでしょうか？
センサのアノードのピンに負電圧をかければいいのでしょうか？
ご教示いただければ幸いです。
宜しくお願い致します。

※もしセンサを限定しなければいけないようでしたら、"反射型センサ"の場合でお願い致します。

回答No.3

electron11

フォトダイオードとフォトトランジスタの違いは　参照URL　ウイキにあります

フォトトランジスタではコレクタ/ベースがフォトダイオードになりフォト電流はベースからエミッタに流れます
このフォト電流によってコレクタ/エミッタにも直接流れるので増幅されるのです

フォトダイオードに逆バイアス　は電圧が逆バイアスになっておれば良いのです
つまりカソードが正電圧になるようにします（又はアノードに負電圧）
フォトトランジスタは電源を与える事で逆バイアスになります
カソードに正電圧を掛ける場合はアノードに抵抗を繋ぎGNDに落として抵抗の電圧を計ればフォト電流検出出来ます（感度悪いけれど応答が速い）
電流が増えるとフォトダイオードの逆バイアス電圧も減少しますので使い方によっては要注意

増幅する時はOPアンプ反転入力に直接繋いで直接増幅（反転増幅）する方法もあります（検索を）
非反転側に入力する場合は先の抵抗に接続します（非反転増幅）この場合は位相が同相となります

フォトトランジスタの中にはベース端子が出ているものもあります
これに直流バイアス電流を少し流す事で速度向上計れますが下駄を履く事になり後で引き算しなければなりません（複雑）

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A9%E3%83%88%E3%83%80%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%BC%E3%83%89

回答No.2

inara1

ここ（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00276/）にあるようなフォト・インタラプタでは、受光部がフォトトランジスタになっていて、データシート（http://akizukidenshi.com/download/TPR-105f.pdf）の4ページ右下の回路図のように、負荷抵抗 RL をエミッタとGND間に入れて、RL の電圧として信号を取り出します。PL が1kΩのときの応答速度は 20μs ですが、これくらいの速度では遅いのでしょうか。

その上のグラフ（Fig.6）にあるように、RLを100Ωにすれば応答速度は 5μs 程度まで改善されますが、信号強度は 1/10 になります（このデバイスでは RL = 1ｋΩ のとき 2V くらいですが、RL = 100Ωにすると 0.2V になる）。

フォト・インタラプタで使われているがフォトトランジスタは、発光素子（LED）の発光波長だけに感度を持つように光学フィルタがついているので外光の影響を受けにくくなっています。フォトトランジスタだけを高速のものに取り替えたとしても、光学フィルタをつけないと外光の影響を受けてちゃんと動作しなくなる恐れがあります。具体的には、どういう大きさのものがどれくらいの速度で通過するのでしょうか。

長さ L (m) の物体が速度 v (m/s) でフォト・インタラプタの上を通過するとき、通過時間は t (s) = L/v になります。L = 1cm = 0.1m、v = 10 m/s のとき、t = 1ms になります。この時間幅だけ出力信号が出るので、フォトトランジスタの応答時間はこの時間 t の 1/10 くらい（100μs）にする必要がありますが、上で紹介したなフォト・インタラプタはその速度を満足しています。

逆バイアス電圧をかけて応答速度が改善されるのは、フォトトランジスタでなくフォトダイオードの（PN接合）場合です。しかも、専用のもの（PINフォトダイオード）でないと効果が現われません。フォトトランジスタの内部はNPNですが、NPのところ（エミッタ－ベース）は逆バイアスになっていないので、フォトダイオードを逆バイスで使った場合よりも応答速度は劣ります（それでも数十μsの速度はある）。フォトトランジスタのベースは外に出ていないので逆バイアスをかけることはできませんし、逆バイアスをかけたとしてもフォトトランジスタとしては動きません。ここ（http://www.rohm.co.jp/products/databook/s/pdf/sensornituite-j.pdf）のFig.8（3ページ）にフォトトランジスタの断面構造の例が出ています。

1μs未満の応答速度で検出したい場合は、高速のPINフォトダイオード（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02984/）を使う必要がありますが、上述したように、光学フィルタをつける必要があります。フォトダイオードに逆バイアスをかけるには、ここ（http://www.adm.co.jp/download/mtb_5.pdf）の図１（1ページ目の）の左側のように、カソードを＋電源をつなぎ、アノード側は抵抗を介してGND（0V）につなぎます。こうすれば、アノードはカソードに対して負の電圧がかかるので－電源は不要です。光電流は抵抗の両端の電圧から分かります（電圧=光電流×抵抗）。図１の右側は、オペアンプを使って光電流を電圧に変換する方法です。図の左側の方法では、光電流を大きくなると、アノード-カソード間の電圧（電源電圧－抵抗の両端の電圧）が小さくなってしまいますが、右側のオペアンプを使った回路では、アノードの電圧は常に0Vなので、アノード-カソード間の電圧は光電流の大きさによらず一定（バイアス電圧）です。ただし、オペアンプを使った回路の出力電圧は、－光電流×帰還抵抗　と、－の電圧になるので、オペアンプを±電源で動かす必要があります（図の Vout = ISIG・R は間違いで、－をつける必要がある）。

回答No.1

inara1

個別に説明すると長くなるので、まず目的をお聞きしますが、反射型のフォト・インタラプタのような構成で、高速移動する物体を検出したいということでしょうか。市販のフォト・インタラプタでは応答速度が遅いので、個別部品を使って高速の受光素子を作りたいということでしょうか。

補足

そうです。
市販の反射センサの応答が良くなるよう逆バイアス電圧をかけたいとき、どういう回路構成にすればよいかをご教示願いたいのです。
「逆バイアス電圧をかける」というのが具体的にどういうことなのかわからないのです。
センサは、搬送される物体の「ある／ない」を検出することが目的です。