フォトダイオードの種類

物理学

こんにちは、はっこんです。

本記事は完全にボクの備忘録として書きます。

フォトダイオードとは

フォトダイオードとは電子回路を構成する素子であり、光センサー(光検出器)と呼ばれるものの1部である。

基本的にP型半導体とN型半導体を接合させたものであり、接合部に光を照射すると電流が流れる。

リモコンの受信部や、赤外線レーザー読み取り装置、煙検出器など、日常の様々な場面で活躍する。

フォトダイオードの代表的な特性に受光感度、暗電流(ノイズ)、応答速度がある。

受光感度とは吸収した光からどれだけ効率的に電子、ホールを発生させるか。

暗電流は光が当たってないときに流れる電流であり、暗電流が小さいほどノイズが小さくなる

応答速度は半導体内を移動する電子の速度によるものである。

PN型フォトダイオード

PN型フォトダイオードは最も基本的な構造であり、その名の通りP型とN型を繋げただけである。

N型半導体には動きやすい電子が多く、一部がP型半導体に移動するため、ホールと電子が打ち消し合い、接合部付近に空乏層という領域ができる。

接合部のN型側は電子がなくなるため、正に帯電、同じ理由でP側は負に帯電。

よって空乏層内で電場が生じる。

空乏層に光が照射されるとホール、電子が生じ、電場の向きに依存してそれぞれの方向に流れる。

PN型フォトダイオードの性能として、応答速度は遅いが、暗電流が小さい。

ちなみに逆バイアスをかけると、ホール、電子それぞれが電極側に移動し、空乏層が広くなる。

受光感度暗電流応答速度
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個人的な評価です

PIN型フォトダイオード

PIN型フォトダイオードは最も使われるフォトダイオードである。

構造はその名の通り、P型とN型の間にI(Intrinsic)型、日本語で真性半導体を挟んでいる。

I型半導体は絶縁性であるため、キャリアが少ない、よってPN型の空乏層と同じような働きをする。

PN型と異なる点は、空乏層に電場がないため、電圧をかける必要がある点である。

あとはPN型とほとんど同じかな。

受光感度暗電流応答速度
個人的な評(略)

アバランツェフォトダイオード

アバランツェフォトダイオードは増幅機能を持つ超高速応答性のフォトダイオードであり、微弱光信号の検出に適している。

P型半導体がP+層、P層、P-層に分かれており、それぞれの層でキャリア濃度が異なる。

P-層で発生した電子はP層で加速され電子雪崩(Avalanche)を発生させる。

電子雪崩とは加速された原子が半導体原子に衝突して電子、ホールを生成し、さらにその電子が他の原子に衝突し、次々に電子、ホールを生成するという現象である。

電子雪崩を発生させることにより、電子を増幅させ、微弱な信号でも検出が可能となる。

光電子増倍管と似てる。

ちなみに、APDには温度特性があり、温度が上がると結晶内の格子振動が激しくなるため、加速されたキャリアのエネルギーが十分大きくならないうちに衝突する確率が上がり、イオンかが起きにくくなる。

受光感度暗電流応答速度
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こじn(ry

暗電流まで増幅される場合があり、×とした。

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