フォトダイオード

フォトダイオードの概要

フォトダイオード（Photodiode）は、光を検出するために設計された半導体デバイスの一種です。このデバイスは、光を受け取るための窓や光ファイバーの接続部を持っており、主に光電流を生み出す役割を果たします。また、真空紫外線やX線を検出する特殊なフォトダイオードは、検出窓を持たないものもあります。

フォトダイオードはその動作原理に、pn接合またはpin構造を利用しています。光子がデバイスに入射すると、エネルギーを受け取った電子が励起され、自由電子と正孔のペアを生成します。このキャリアはビルトインポテンシャルにより空乏層から移動し、黒電流を生み出します。このようにフォトダイオードは、照明の強さに応じて電子信号を生成し、様々な用途に応用されます。

動作原理

フォトダイオードは2つの動作モード、すなわちゼロバイアスモードと逆バイアスモードで使用することができます。

• - ゼロバイアス: 光が入射すると、フォトダイオードに流れる電流は光電流となり、ダイオードを流れる逆方向の暗電流とは異なる方向に流れます。この原理は光起電力効果に基づいており、太陽電池と同様の動作をします。実際、太陽電池は多数の大きなフォトダイオードを組み合わせたもので、太陽光を電気エネルギーに変換します。
• - 逆バイアス: 高い電圧を印加することで空乏層が広がり、より多くの光電子が生成され、感度が向上します。この方法は応答速度を向上させるため、多様な光トランスミッションシステムやシステムに対して非常に有用です。特に逆バイアスを用いたアヴァランシェ・フォトダイオードは、内部利得が向上するため、強力な光検出能力を持ちます。

使われる材料

フォトダイオードに使われる材料は、光の波長に応じて異なります。光子が半導体内で電子を励起するため、材料のバンドギャップは入射する光のエネルギーよりも低くなくてはなりません。一般的に、シリコン製の場合は低ノイズ特性を持ちながらも、ゲルマニウム製は長波長の光を検出することができ、約1µmまで対応しています。

重要な特性

フォトダイオードの特性には、受光感度、暗電流、雑音等価入力（NEP）などがあります。

• - 受光感度: フォトダイオードが生成する光電流と入力光のパワーの比を示し、A/Wで表現されます。量子効率とも呼ばれ、光子と生成されたキャリア数の比としても理解できます。
• - 暗電流: 光が無い状態で流れる電流であり、一般的にバックグラウンド放射や半導体接合内の逆方向電流によるものです。光通信システムでは、暗電流がノイズ源となるため、重要な要素です。
• - 雑音等価入力（NEP）: 光電流を生成するための最小の光パワーを表し、感度と密接に関連しています。

用途

フォトダイオードは非常に多用途で、一般に電子機器に広く使用されます。例としては、コンパクトディスクプレイヤー、煙探知機、テレビのリモコン、カメラの露出計などがあります。また、科学技術分野においては、光強度の正確な測定や医学的用途での検出などに利用され、特に医療機器やセキュリティ分野で重要な役割を果たします。

フォト電子増倍管との比較

フォト電子増倍管と比較すると、フォトダイオードには以下のような利点があります。

• - 高い線形性と応答速度
• - 使用する材料により、幅広い波長範囲での応答
• - 低ノイズおよび低コスト
• - 小型でありながら長寿命

一方で、感度や内部利得の面では劣ることがあるため、用途によってはフォト電子増倍管が選ばれます。しかし、フォトダイオードはその応答速度やコスト面で多くの応用で評価されており、このように技術の進化に伴い、ますます重要性を増しています。

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