JPS607499Y2 - 線形光出力発光半導体装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、信号入力に対して完全に直線的な放射出力を
放出するようにした線形光出力発光半導体装置に関する
。

光を媒介として信号の伝送を行なう光結合回路装置は通
常ホトアイソレータ又はホトカプラー等といわれ、電気
信号を光に変換する発光装置と光を電気信号に変換する
受光装置から構成され、電子回路間の電気的分離、光通
信、及び物体またはマーク等の検出に用いられている。

そしてこれらの装置を応用した信号伝送方式は殆んどが
デジタル伝送であり、アナログ伝送は必要とされている
にも拘わらず、行なわれた例が殆んどない。

その主な原因は発光側にあり、入力信号レベルに完全に
比例した光出力を有する発光装置が得られないことによ
る。

従来半導体を用いた光結合回路装置は、発光装置として
は化合物半導体を用いた発光ダイオード、受光装置はシ
リコンを用いた各種受光デバイスを使用するのが一般的
であり、第１図Ａはその最も基本的な光結合回路を示す
。

この図で１は発光ダイオード、２は受光ダイオードであ
る。

発光ダイオード１の端子に電圧Ｖｐを印加して順方向電
流ＩＰを流すと光が放射され、逆バイアス電圧ＶＲが印
加されている受光ダイオード２に入射して逆方向電流Ｉ
ｏが流れ、信号の伝送が行なわれる。

この入力信号即ち電流ＩＰと出力信号即ち電流ｉｏは、
一般には第１図Ｂの曲線ａに示すように非線形の関係を
有する。

ここで入力信号と出力信号の関係を入出力特性と定義す
ると、入出力特性は最も重要な特性であり、信号の伝送
方式の決定を左右するものであることは明らかである。

即ち第１図Ｂの如き非線形の入出力特性は入力信号を訂
正及び削除する効果を持ち、アナログ信号を忠実に伝送
することが不可能となる。

従ってか）る特性では他の伝送方式例えばデジタル伝送
方式をとる方が有利である。

しかしながらアナログ伝送を行なう必要がある場合も多
く、上記の如き非線形を入出力特性を改良することが要
求される。

その一つの方法として、第１図の光結合回路を複数個用
いて帰還回路を形成する等して線形化することが考えら
れるが、この方式での線形化は詳述しないが原理的に不
可能である。

第１図に示される光結合回路の入出力特性を検討するに
出力信号電流■。

は入力信号電流■２の関数として次の如く表わされる。

Ｉｏ＝１．・η （Ｉｐｔ’ｒ） ・α・β （■３
．入）十ＩＲ（ｖＲ９Ｔ）三Ｉ、＋ＩＲ・・・・・・・
・・・・・・・・（１）こ）でη（Ｉｐ、 Ｔ） ：発
光ダイオード１の発光効率、 一般にＩＰと周囲温度Ｔの関数である。

α：発光ダイオード１から受光ダイオード２への光の伝
達率、β（ＶＲ，λ）：受光ダイオード２の光電変換比
、即ち アス電圧ｖＲと入射放射束の波長入の関数である。

ＩＲ（Ｖ、、Ｔ）：受光ダイオードの暗電流でＶＲ９Ｔ
の関数である。

ＩＬ＝光電流 入出力特性の線形性を分り易く示すと次のようになる。

ここで光伝達率αは発光、発光ダイオードの幾可学的配
置が一定に定まれば一定であり、電流Ｉ２に関係しない
。

βは逆バイアス電圧■８、入射速の波長入及び周囲温度
Ｔ等より僅かに変化することが知られているが、製作方
法、入射放射束波長λを適当に決定することにより定数
とすることができる。

これにより入出力特性の線形性は発光ダイオード１の発
光効率η及び受光ダイオード２の暗電流ＩＲで決定され
ることがわかる。

発光効率刀は順方向電流ｈ１周囲温度Ｔにより大きく変
化する。

第２図によりこれを説明するに、発光ダイオードの順方
向電流Ｉ、は一般的に発光に寄与する拡散電流Ｉｄと発
光に寄与しない再結合電流１ｒの和として表わされ、こ
れらの電流Ｉｄ、 Ｉｒは第２図に点線で示す如く異な
った順方向特性を示し、また温度特性も異なる。

このため発光に寄与する拡散電流Ｉｄの順方向電流ＩＰ
に占める割合は、再結合電流Ｉｒおよび温度Ｔによって
著しく変動することになり、発光ダイオードの放射束は
順方向電流Ｉｐを一定としても再結合電流成分、温度変
動、経年変化などにより一定にはならない。

又発光ダイオードの暗電流ＩＲは第２式から明らかなよ
うに順方向電流Ｉｐとは全く無関係であり、特に光電流
ＩＬが小さい範囲で非線形化の大きな原因となる。

しかし、この暗電流ＩＲが零であるときの受光ダイオー
ドへの入射放射束と出力信号電流の関係、即ち入射放射
束と光電流■、との関係は広い範囲で直線性を示し、入
射放射束の波長入が一定の場合は前記βの値は入射放射
束に依存しないことはよく知られている。

以上により、光結合回路の入出力特性を非線形化させる
主原因は発光ダイオードの発光効率ηの順方向電流ＩＦ
及び温度変動による変化と、受光ダイオードの暗電流Ｉ
Ｒであることが明確となった。

上記原因のうち、受光ダイオードの暗電流による入出力
特性の非線形化は種々の公知の方法により防止すること
ができる。

従って発光ダイオードの発光効率の変動が光結合回路の
入出力特性の線形化の大きな障害である。

本考案はか）る点を改善し、入力信号と発光ダイオード
、一般的には発光半導体素子の放射束との間の入出力特
性を線形化した光出力発光半導体装置を提供しようとす
るものである。

本考案の線形光出力発光半導体装置は高利得で２つの入
力端に加わる信号の差分を増幅する演算増幅器と、該演
算増幅器の出力端に接続された発光半導体素子と、前記
演算増幅器の２つの入力端に接続されたモニター用受光
ダイオードと、前記演算増幅器の一方の入力端に接続さ
れた抵抗とを備え、前記モニター用受光ダイオードと前
記抵抗との直列接続に加える入力信号により発する前記
発光半導体素子の放射束の一部を該モニター用受光ダイ
オードに入射させて、前記モニター用受光ダイオードに
生じる電流を負帰還し、前記抵抗の両端間の電位差を前
記入力信号の電圧にほぼ等しくして前記モニター用受光
ダイオードをほぼ零バイアス電圧状態とする負帰還増幅
器を構成したことを特徴とするが、以下図面を参照しな
がら本考案を詳細に説明する。

第３図は本考案の実施例に係る線形光結合回路を示し、
１及び２は第１図と同様に発光ダイオード及び受光ダイ
オードである。

３はモニター用受光ダイオード（以下モニターダイオー
ドという）で、発光ダイオード１に近接して配置され、
その放射束の一部を受けて光電流を流す。

このモニターダイオード３は高利得演算増幅器４の２つ
の入力端子ｔ１４１２間に接続され、又その陽極側と信
号入力端子５間に抵抗６が接続され、陰極側は入力端子
もと共にアースされる。

演算増幅器４の出力端子指とアース間に抵抗７を介して
発光ダイオード１が接続される。

これらの素子１，３〜７は発光ダイオード装置即ち本考
案の線形光出力発光半導体装置を構成する。

８は高利得演算増幅器で、その２つの入力端子ｔ１．ｔ
２間に受光ダイオード２が接続され、又その出力端子娼
は信号出力端子９に接続される。

１０は帰還抵抗である。これらの素子２，８〜１０は受
光回路を構成する。

次にこの回路の動作を説明するに、全信号入力端子５に
負の信号電圧Ｖ１を印加すると、モニターダイオード３
の抵抗は最初は高いのである分圧比の電圧を生じ、演算
増幅器４はこれを増幅して反転出力を生じ、出力端子袷
から抵抗７を通して発光ダイオード１に順方向電流Ｉｐ
を流す。

発光ダイオード１はこれにより発光し、放射束を受光ダ
イオード２に入射させると共にその一部をモニターダイ
オード３に入射させる。

この入射束によりモニターダイオード３の抵抗は下り、
演算増幅器４への入力電圧が減少する。

こうして演算増幅器４には負帰還がか）す、そしてこの
増幅器４は利得が高いので入力端子ｔ１の電圧がはＳ゛
零■なるまでその出力、即ち発光ダイオード１に流す順
方向電流ＩＰを調整する。

こうしてモニターダイオード３は常にはＳ゛零バイアス
状態に保持されるので、矢印の方向に流れる電流Ｉｒｅ
ｆは、信号電圧Ｖ１と抵抗６で定まり、Ｉｒｅｆ ＝
Ｖ、 ／Ｒｓ （Ｒｅは抵抗６の抵抗値）となる。

発光ダイオード１に流れる電流Ｉｐが何らかの原因で増
加し、発光出力が大になるとモニターダイオード３の端
子電圧従って増幅器入力電圧が減少し、電流Ｉ、は小に
なる。

逆に電流Ｉｐが減少すれば増幅器入力電圧が増加し、こ
うして常に光出力が一定になるように調整される。

ここで、発光ダイオード１の放射束杭とすると、信号電
圧Ｖｒ （または電流Ｉｒｅｆ）と放射束Ｌ□とに直線
関係が存在することを以下に説明する。

先ず、モニターダイオード３の端子電圧は、高利得の演
算増幅器４を用いているので、実質的に零であり、従っ
てその暗電流ＩＲは当然零と見なし得る。

即ち、電流１ｒｅｆは、暗電流ＩＲが零となるので光電
流と等しくなる。

ここで、モニターダイオード３の光電変換比βは前記の
如く一定である。

それ故、モニターダイオード３への入射放射束をＬとす
ると、光電流即ちＩｒｅｆと入射放射束Ｌ３との間には
Ｉｒｅｆ ＝βＬ３ （βは定数）の関係が存在する。

そして発光ダイオード１からモニターダイオード３への
光伝達率αは、各ダイオードの相対的配置を固定してお
けば一定であるから、ｈ＝αＬ、１（αは定数）の関係
が戒り立つ。

よってＩｒｅｆ＝αβｈまたはｖＩ＝αβＲ６Ｌ１の関
係が成立し、信号電圧Ｖ、 （または電流Ｉｒｅｆ）
と発光ダイオード１の光出力杭との間に直線関係が存在
することが判る。

一方、光の入射により受光回路の受光ダイオード２には
逆方向電流ＩＯが流れる。

演算増幅器８は帰還抵抗１０により負帰還がか）ってお
りそして高利得であるから、入力端子ｔ□、ｔ２ははＳ
゛零■状態従って受光ダイオード２は零バイアス電圧状
態にされるので暗電流■１は零であり、また受光ダイオ
ード２及び帰還抵抗１０を通って流れる出力電流Ｉ。

はＩＯ”ＶＯ／ＲＩＯ（こ）でＲｌｏは抵抗１０の抵抗
値）となる。

このとき、出力電流らは受光ダイオード２への入射光束
に広い範囲で比例する。

一方、発光ダイオード１の発光出力が入力電圧に比例す
るので、発光ダイオード１から受光ダイオード２への光
伝達率を一定とすれば出力電流らも入力電圧に比例する
ことになる。

このため第３図の回路は広範囲にわたり、直線的な入出
力特性を持つことができ、アナログ信号の伝送が可能と
なる。

第３図に示した線形光結合回路は各入出力回路のアース
に対して負の入力電圧を必要とし、負の出力電圧を生ず
るものであったが、本考案はか）る回路のみに限定され
るのではなく、本考案の主旨に基づき、他の信号極性型
式をとることができる様に第３図の回路を変更及び拡張
することができることは勿論である。

更に本考案により基本的な線形光結合回路が提供される
ため、任意の非線形伝送が確実に行なえるであろうこと
は明らかである。

以上述べた如き原理に基づいた線形光結合回路を構成す
る合、モニターダイオードを発光ダイオードに対して光
結合が行なえるように配置する方法は種々考えられるが
、第４図にその一例を示す。

第４図は発光ダイオード１及びモニターダイオード３を
同一基板上に一体形成した例を示し、２１は例えばＮ型
のヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）半導体基板２２．２３はこ
の半導体基板泰奏２１に距離１をおいて形成される２つ
のＰ空領域であり、これらは半導体基板２１を共通電極
とする２個の集積化ダイオードを構成する。

勿論これらのＰ、Ｎ導電型はこの逆でもよい。

２４，２５はＰ空領域２２．２３に接続される電極、２
６はＮ型半導体基板２１に接続される共通電極、２７は
絶縁膜である。

こ）でＰ空領域２２と半導体基板２１が構成するダイオ
ードを発光ダイオードとし、Ｐ空領域２３と半導体基板
２１が構成するダイオードをモニターダイオード３とす
ると等価回路は同図Ｂに示す如くなる。

発光ダイオード１に順方向電流を流すと光がＰＮ接合近
傍から放射され、これは矢印Ａのように外部へ放出する
と共に一部は横方向の放射束Ｂとしてモニターダイオー
ド３に入射する。

２つのＰ空領域２２．２３間の距離１は、発光ダイオー
ド１の動作時にＰ空領域２２から半導体基板２１に注入
される少数キャリアの拡散距離よりはるかに大きく、且
つ横方向の放射束Ｂが充分な強度をもってモニターダイ
オード３に達することができる距離以下でなければなら
ない。

即ち１が前記条件より小さすぎるといわゆるトランジス
タ作用を起し、装置の誤動作を引き起すことになる。

又前記条件よりはるかに大きすぎる場合は光が到達しな
いため光をモニターすることができず、意味をもたなく
なる。

なお第４図の構造および等価回路は一例として記述した
ものであり、前述の如き条件を満たすものならば、両ダ
イオード１，３の配置、構造、外部への放射束の取り出
し方向及びダイオードの極性等は任意に構成することが
できる。

以上詳細に説明したように、本考案は光結合回路の非線
形な入出力特性を改良しようとなされたもので、非線形
となる主原因は、■光結合回路の発光側において、発光
半導体素子に加える入力信号となる電流ＩＰ＝ Ｉｒ＋
Ｉｄとその発光半導体素子の放射束（出力光）の間が非
線形であることと、■光結合回路の受光側において、受
光ダイオードにより流れる出力信号電流が暗電流を含む
ものであるので、受光ダイオードへの入射放射束との間
に非線形となることである。

ここで、■の問題は受光ダイオードをほぼ零バイアスに
し、暗電流をほぼ零とすることで解決されている。

従って、特に、上記■の問題の解決が本考案の主目的と
するところである。

そのために、本考案では、発光ダイオードがほぼ零バイ
アス状態であれば、暗電流がほぼ零となり、受光ダイオ
ードへの入射放射束とそれにより発生する光電流とは線
形となる性質を利用しているのである。

すなわち、第３図の如く常にほぼ零バイアスに保たれる
モニター用受光ダイオードを設け、それから発生す光電
流Ｉｒｅｆと入力信号■！とを常に比例関係に保ち、そ
れにより発光半導体素子の出力光と入力信号Ｖｒが線形
となるよう発光半導体素子に補正された電流■２を流す
ようにしている。

よって、本考案によれば、発光ダイオードの光出力を、
入力信号レベルに完全に比例したものとすることができ
る。

光結合回路を従来のようにデジタル信号の伝送のみに限
定することなく、アナログ信号の伝送に利用することが
できる。

なお、本考案の如く負帰還回路を構成する公知例として
例えば、特開昭４９−１８４７９号公報があるが、この
公知例では、受光半導体素子が零バイアス状態になって
いないので、暗電流は零にはならない。

また、モニター用の受光半導体素子が本考案のように受
光ダイオードでなくフォトトランジスタであるので、本
件の入力信号と光出力とのすぐれた線形特性は望めない
。

なお本考案は以上の実施例に限定されることなく、実用
新案登録請求の範囲で種々変形することができ、例えば
光結合回路の外に直線性のよい発光装置として各種検出
用等にも利用できる。

また発光素子およびモニター用ダイオードの配置、構造
、外部への放射束の取出方向及び素子の極性等は任意に
変形できる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ及び′Ｂは基本的な半導体光結合回路の回路図
及びその入出力特性を示すグラフ、第２図は発光ダイオ
ードの順方向電圧対順方向電流特性を示す図、第３図は
本考案を適用した線形光結合回路の構成を示す回路図、
第４図Ａ及びＢは同一基板上に一体形成した発光ダイオ
ードとモニターダイオードの構造を示す断面図及びその
等価回路図である。 図において１は発光半導体素子、３はモニター用受光ダ
イオード、４は高利得増幅器である。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 高利得で２つの入力端に加わる信号の差分を増幅する演
   算増幅と、該演算増幅器の出力端に接続された発光半導
   体素子と、前記演算増幅器の２つの入力端に接続された
   モニター用受光ダイオードと、前記演算増幅器の一方の
   入力端に接続された抵抗とを備え、前記モニター用受光
   ダイオードと前記抵抗との直列接続に加える入力信号に
   より発する前記発光半導体素子の放射束の一部を該モニ
   ター用受光ダイオードに入射させて、前記モニター用受
   光ダイオードに生じる電流を負帰還し、前記抵抗の両端
   間の電位差を前記入力信号の電圧にほぼ等しくして前記
   モニター用受光ダイオードをほぼ零バイアス電圧状態と
   する負帰還増幅器を構成したことを特徴とする線形光出
   力発光半導体装置。