光電素子とは
光電素子とは、光エネルギーと電気エネルギー間の変換を司る電子素子の総称です。
大別すると、電気信号を光信号に変換する発光素子と、光信号から電気信号に変換する受光素子があります。発光素子は電流を流すと光を発する素子で、発光ダイオードがその代表例です。
電球や蛍光灯も電流を流して光を発しますが、一般的に発光素子とは半導体を利用したものに限定され、それらは含みません。また、受光素子は光を受けて電流を発生するもので、太陽電池がその一例です。
光電素子の使用用途
光電素子は、光を利用する分野で非常に多くの機器に使われています。発光素子であれば、発光ダイオードを用いた照明器具の発光部、フォトインターラプタ等のセンサーでは物体検出用の光源として、光通信の分野では半導体レーザーを信号光源等、さまざまな使用例を挙げることができます。
受光素子は、上記太陽電池の他、照度計やカメラの露出計、CDやDVDのピックアップ、撮影機器のイメージセンサ、フォトインターラプタでは物体からの反射光を検出するセンサーがその例です。
光電素子の原理
発光素子と受光素子の原理は大きく異なります。
1. 発光素子
発光素子の代表として発光ダイオードで示すと、その基本構造は、P型半導体 (キャリアとしてホールが大多数を占める) とN型半導体 (キャリアとして電子が大多数を占める) が接合されたPN接合にあります。
発光ダイオードに順方向の電圧をかけると、発光ダイオードのチップの中を電子とホールが移動し電流が流れます。移動の途中で電子とホールがぶつかると再結合しますが、その状態では電子とホールがもともと持っていたエネルギーを合わせたものより小さくなります。
この減少したエネルギーは、光に変換されて半導体の外部に放出されます。これが発光の原理です。
2. 受光素子
受光素子は、光電効果を利用したものです。光電効果は、半導体のPN接合部で発生するものを指します。フォトダイオードの両端をショートしていても、PN接合部には電界が形成され、その中では電位の傾斜が生じています。
この電界の中に光が照射されるとそのエネルギーで電子とホールが発生しますが、電位の傾斜によって直ちに電子が移動します。即ち、ショートした外部回路に電子の移動である電流が流れることになりますが、この電流は光が強い (光子の数が多い) ほど大きくなります。
なお、PN接合部に逆バイアス電圧を印加すると電界が広がるため、その分広い領域で電子とホールが発生します。また、電位の傾きも強くなるので、キャリアの移動速度が速くなり、高速な応答が期待できます。
光電素子の種類
光電素子に分類される半導体素子には、次のようなものがあります。
1. 発光素子
発光ダイオード (英: Light Emmiting Diode)
近赤外から可視領域まで発光波長が異なる発光ダイオードが多数製品化されていますが、特に青色LEDは照明器具に使われることから非常に需要が伸びています。一方、近赤外光を発する発光ダイオードは光通信用のデバイスとして利用されるものです。
半導体レーザー
通常のLEDより強く、かつコヒーレントな光を発することが可能です。身近な応用例としては、直進性を活かしたレーザーポインター、大光量かつ単波長であることを活かしたプロジェクター用光源があります。
有機EL (英: Electro Luminescence)
テレビや撮影機材のファインダーなど薄く軽量なディスプレイに用いられます。
2. 受光素子
フォトダイオード
光の強さを測定する照度計などの計測器のセンサーや光で物体を検出する際のセンサー等、さまざまな用途があります。
フォトトランジスタ
トランジスタのベース領域で光を受け、そこで発生する電流を増幅して取り出せることから、フォトダイオードより高感度なセンサーです。主にフォトインタラプタの受光部に採用されています。
イメージセンサ
フォトダイオードを平面状に多数並べて、そこに画像を投射し画像データを作成するためのセンサーです。静止画や動画を撮影するカメラの撮像部に用いられているものです。
半導体素子としては非常に大きく、高価ですが、かつて使われた撮像管や写真用フィルムからの置き換えにより、広く普及しました。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjspe1933/31/371/31_371_1039/_pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/sicejl1954/7/1/7_1_35/_pdf
http://www.nhao.jp/~tsumu/lecture/Welcome_files/%E7%AC%AC%EF%BC%99%E7%AB%A0.pdf
https://jsdkk.com/home/glossary/glossary-photodetector/