フォトダイオードとは何か

フォトダイオードとは何ですか？

フォトダイオードの定義

フォトダイオードは、光にさらされたときに電流を生成するPN接合ダイオードとして定義されます。この接合は、P型とN型の半導体材料を組み合わせることで形成されます。P型材料には余分な正孔（ホール）があり、N型材料には余分な電子があります。これらの材料が接触すると、N型領域からP型領域へ電子が移動し、ホールと再結合して耗尽層を作ります。この領域は、さらにキャリアの拡散を防ぐバリアとして機能します。

フォトダイオードには、それぞれP型領域とN型領域に接続されるアノードとカソードという2つの端子があります。アノードは通常、デバイスパッケージ上のタブや点でマークされています。フォトダイオードのシンボルは以下の通りで、光に対して感度があることを示すために、接合に向かって2本の矢印が描かれています。

動作原理

フォトダイオードが外部回路に逆バイアスで接続されると、アノードからカソードへ小さな逆方向の電流が流れます。この電流は暗電流と呼ばれ、半導体中の少数キャリアの熱生成によるものです。暗電流は適用される逆方向電圧には依存せず、温度とドーピングレベルによって変化します。

十分なエネルギーを持つ光がフォトダイオードに当たると、半導体材料内で電子-ホール対が生成されます。この過程は内部光電効果とも呼ばれます。光吸収が耗尽層内またはその近くで起こった場合、これらのキャリアは接合の電界によって掃き出され、暗電流に加わるフォトカレントが生成されます。したがって、ホールはアノードへ、電子はカソードへ移動し、逆方向の電流は光強度とともに増加します。

フォトカレントは特定の波長と温度において光強度に比例します。光強度が高すぎると、フォトカレントは飽和電流という最大値に達し、それ以上は増えません。この飽和電流はデバイスの形状と材料特性に依存します。

フォトダイオードは、フォトボルテイックモードとフォトコンダクティブモードの2つのモードで動作できます。

フォトボルテイックモード

フォトボルテイックモードでは、フォトダイオードに外部から逆方向電圧が適用されず、太陽光から電力を生成する太陽電池のように動作します。フォトカレントは短絡回路または端子に接続された負荷インピーダンスを通じて流れます。回路が開いた状態または高インピーダンスである場合、デバイス間で電圧が蓄積され、順方向バイアスとなります。この電圧は開放電圧と呼ばれ、光強度と波長に依存します。

フォトボルテイックモードは、太陽エネルギーを生成するために使用される光電効果を利用します。しかし、このモードには応答速度が遅い、直列抵抗が高い、感度が低いなどの欠点があります。

フォトコンダクティブモード

フォトコンダクティブモードでは、フォトダイオードに外部から逆方向電圧が適用され、光強度に応じて抵抗値が変化する可変抵抗器のように動作します。フォトカレントはバイアス電圧を提供し出力電流または電圧を測定する外部回路を通じて流れます。

フォトコンダクティブモードは、フォトボルテイックモードよりも応答速度が高く、直列抵抗が低く、感度が高く、動的範囲が広いなどの利点があります。しかし、このモードにはノイズレベルが高い、消費電力が高い、線形性が低いなどの欠点もあります。

フォトダイオードの特性

フォトダイオードの特性は、光強度、波長、温度、バイアス電圧などの異なる条件下での性能を記述します。これらの特性には以下のようなものがあります。

フォトダイオードの応用

• 光通信

• 光学計測

• 光学イメージング

• 光スイッチング

• 太陽光発電

結論

フォトダイオードは、光を電流に変換する半導体デバイスです。フォトンがPN接合ダイオードに当たると電子-ホール対が生成される内部光電効果に基づいて動作します。フォトダイオードは逆方向バイアス条件で動作し、フォトボルテイックモードとフォトコンダクティブモードの2つのモードがあります。フォトダイオードには、応答度、量子効率、スペクトル応答、暗電流、暗抵抗、ノイズ、線形性、応答時間などの様々な特性があります。

フォトダイオードは、光通信、光学計測、光学イメージング、光スイッチング、太陽光発電など、さまざまな応用があります。フォトダイオードは光ビームの遮断を検出して警報回路やカウンタ回路を作るのに使用することもできます。フォトダイオードは、光を感知して電気に変換するための多目的で有用なデバイスです。