フォトダイオードとは
フォトダイオードとは、光を照射すると微小な電流が一定方向に流れる受光素子のことです。
半導体の接合箇所に光を照射すると内部光電効果が起こり、電子が励起されて電流が流れる性質を利用して、照射された光のレベルを検出します。受光を検出する精度が高いため、特に光通信装置に必要な部品です。
その他、ガス濃度測定などの医療用の装置にも組み込まれています。ダイオード構造には、主にPN接合型とPIN接合型、アバランシェ型があり、それぞれ受光感度や応答速度が異なります。
フォトダイオードの使用用途
フォトダイオードの代表的な使用用途は、CD/DVDプレーヤーのピックアップ箇所やテレビのリモコン、光通信などです。特に、高感度な受光感度を有するPIN接合型は、通信光通信システムに用いられていますが、アプリケーションにも広く用いられています。
フォトダイオードの3つの構造の中で、一番多く使用されている型です。その他、医療用器具の断層X線写真機等にも使用されています。
フォトダイオードの原理
フォトダイオードは、素子に光が照射されると半導体の接合部分の電子が励起され、電流を測定することにより光量を検出できるという物理現象を用いています。
ダイオードの材質に応じて検出できる光の波長が異なるため、波長の用途に応じて選択する必要があります。使用される主な素材は、シリコンやゲルマニウム、硫化鉛等です。
1. PN接合型
P型半導体とN型半導体の境界にあたる空乏層に光を照射すると、N型半導体の方に電子が流れていき、P型半導体では電子が移動したことによってホールが生成されます。光が照射されている間は、このような電子とホールの流れが生じるので、電子の流れを電流として検出していますが、やや応答速度は遅いのが特徴です。
2. PIN接合型
暗電流とも称されるバックグランドのノイズが小さいため、フォトダイオードとして最も利用されている構造です。P型半導体、I型半導体、N型半導体の並びで接合されています。
I型半導体部分に逆バイアスの電圧をかけることで、励起された電子がスムーズにN型半導体へと流れ、応答速度が速くなる点も特徴の一つです。
3. アバランシェ接合型
P型半導体層の電極箇所から順にp+層、p-層、p層に分かれているのが特徴です。アバランシェ (電子雪崩) 増幅機能により、非常に微弱な光を超高速応答で検出できる特性を有しています。電圧は高い電圧をかけて用いるのが一般的であり、頭文字をとってAPDと呼ばれています。
フォトダイオードのその他情報
1. フォトダイオードのアプリケーション回路
フォトダイオードは、両電極を開放状態の場合は温度依存性が大きく、ショートの場合は光量と電流の関係がリニアではないために、そのままアプリケーションへ適用することは困難です。そこで、照度計や露出計など明るさを計測する用途には、フォトダイオードのカソードをオペアンプの反転入力端子に、アノードを非反転端子に接続し、オペアンプの出力端子と反転入力端子間に帰還抵抗Rfを挿入する回路構成が用いられます。
この回路では、光の強さに応じた短絡電流Is×帰還抵抗Rfがオペアンプの出力電圧 (反転入力端子を基準電圧) となり、フォトダイオードの両端 (アノード-カソード間) 電圧は0V、即ち両端をショートしている状態と等価 (イマジナリー・ショート) になります。
従って、短絡電流Isは光の強さに比例するので、オペアンプの出力電圧は光の強さとして表現することが可能です。実際の回路では、フォトダイオードの容量による応答遅れを保証するコンデンサCfを接続して、応答速度を速めます。
2. フォトダイオードの分光感度特性
シリコン・フォト・ダイオードは、320nm〜1100nmの波長の光に対して電流を出力しますが、特に800nmから1000nmの近赤外線領域で高い感度を示します。人間の可視領域は380nm～720nmの範囲であり、550nm付近に感度のピークがあるため、シリコン・フォト・ダイオードの分光感度特性とは異なります。
従って、シリコン・フォト・ダイオードの出力をそのまま明るさとして扱うことはできません。例えば、近赤外線が多い環境ではシリコン・フォト・ダイオードの出力が大きくなりますが、人間の目には見えない領域であるため明るく感じないわけです。
このような理由から、照度計などのセンサーとして使う場合は、人間の目の感度特性にシリコン・フォト・ダイオードの分光感度特性を合わせる必要があります。その際に、シリコン・フォト・ダイオードの表面に視感度補正フィルターを設置したものが用いられます。
また、シリコン以外の波長用途には、ゲルマニウムやInGaAsが用いられています。これはバンドギャップエネルギーが各々の材料物性値で異なるためであり、特にInGaAsは1μmより長い波長用途に適している材料です。