フォトダイオードとは？

フォトダイオードは、光を電気に変換する技術において鍵となる部品です。太陽光発電装置や電力システムの中心的な役割を果たし、電子回路の一部としての利用もますます増えています。

これらのデバイスを活用した回路を設計するにあたって、フォトダイオードがどのように機能し、どのような潜在的な応用があるかを理解することが重要です。このガイドでは、必要な情報を説明します。

フォトダイオードは、光を電気エネルギーに変換するために使用される半導体です。また、オプトカプラ、フォトセンサ、光検出器とも呼ばれ、これらの特定の設計と構造によりこの機能を実現できます。

フォトダイオードの最も基本的で重要な部分の一つはp-n接合です。これは、p型層に多くのホールがあり、n型層には電子が詰まっている半導体材料の2つの層の間の空間です。フォトダイオードのデザインの一貫した要素であり、通常は空乏層と呼ばれます。デバイスが光を検出しない場合、デバイス内で非常に少量の電流が生成されます（通常、ゼロに近いことがよくあります）。これはフォトダイオードの「ダークカレント」として知られ、デバイスの感度が向上するにつれて減少します。

デバイスが光エネルギーを検出すると（通常はバンドギャップと呼ばれる一定の設定レベルを超える場合）、これにより新しいホールと電子が生成され、p-n接合内で電流が生成されます。

逆バイアスがかかっているフォトダイオードでは、ホールはアノードに向かい、電子はカソードに向かって移動し、空乏領域で電流が生成されます。光の明るさが増すと、デバイス内の電流も増加します。

フォトダイオードの特定の要件や設計に応じて、デバイスは光電変換モードまたは光伝導モードで動作します。

• 光電変換モードは、デバイスに外部電圧がかかっていないためバイアスがかかっていません。したがって、デバイスに光が当たると、電子がカソードに向かいホールがアノードに向かい、空乏層で電流が生成されます。
• 光伝導モードは、デバイスに逆バイアスがかかっており、空乏領域、ダークカレント、およびフォトダイオードの応答速度を増加させながら、接合容量を減少させるような電源がデバイスに適用されている状態です。

フォトダイオードとフォトトランジスタの主な違いは、設計と構造にあります。具体的には、両デバイス間で異なる主要な要素は次のとおりです：

• フォトトランジスタは、2つではなく3つの材料層を持ち、2つのp-n接合を作り出します。
• フォトダイオードは2つの端子しか持たず、フォトトランジスタは最大3つまで持つことができます。
• フォトトランジスタは正のバイアスモードでのみ使用でき、フォトダイオードは逆バイアスで動作できます。
• フォトトランジスタは動作するために電源に接続する必要がありますが、フォトダイオードは必要ありません。
• フォトダイオードは電流と電圧の両方を生成しますが、フォトトランジスタは電流のみを生成します。

これにより、フォトトランジスタは光を電気に変換するのではなく、光センサとして使用され、これにより煙感知器やリモコンなどのアプリケーションに適しています。

フォトダイオードの主な用途は、エネルギー生産システムの太陽電池および光源の明るさを検出することです。その他にも、フォトダイオードデバイスが使用される他の用途もあります。主な用途は以下の通りです：

• 火災および煙感知器
• サンプルの分析および血液ガスのモニタリングなどの医療機器
• 正確な光測定デバイス
• 光通信
• シャッターやフラッシュなどのカメラコントロール

逆バイアスのフォトダイオードは、光検出および測定に特に有用であり、発生する光電流が入射光の強度と直接比例しています。これは、光伝導セルや光センサーなど、高速性と高感度が重要な状況で使用すると特に有益です。

要するに、正バイアスと逆バイアスの主な違いは、前者では供給された電圧がダイオードを横切って自由に電流が流れることを可能にするのに対し、後者では供給された電圧が電流の流れを制限することです。

例えば、逆バイアス機能は、光の露出量と直比例に電圧と電流を増減させるために、光伝導セルで使用できます。この場合に正バイアス機能が使用された場合、光曝露後の増加は指数関数的になり、電流と電圧を制御する手段が限られてきます。

フォトダイオードの基本的な設計はすべてのタイプで同じですが、特定用途に特化した構造のデバイスがあります。

アバランシェ・フォトダイオード

このフォトダイオードデバイスの構造は多数の電荷キャリアを生成するように設計されています。これは、大きな電源が逆バイアスを介してこれらのデバイスに向けられることによって行われます。その結果、これらのフォトダイオードは他のデバイスよりも高い応答レベルを持っています。

これはまた、これらのデバイスを使用する際のいくつかの欠点があることを意味します。例えば、騒音、温度への感度、および動作バンド幅の減少があります。そのため、アバランシェ・フォトダイオードは主に光リンクシステムで使用されています。

PN フォトダイオード

PNフォトダイオードは、このデバイスの最も基本的な形態です。通常のフォトダイオードとして動作し、光にさらされると電流を発生させますが、電圧は供給されません。ただし、これらのデバイスの最初のタイプでありますが、比較的低い性能のため、現代ではあまり使用されていません。

PIN フォトダイオード

標準のp型層およびn型層と並んで、PINフォトダイオードには構造の中央に固有の半導体層があります。これにより、これらのデバイスの空乏層は他のフォトダイオードよりも広くなります。これにより、空乏層内での光子エネルギーの吸収と電子-正孔対への変換が増加します。

これにより、PINフォトダイオードは他のデバイスと比較して大きな帯域幅と高速な応答速度を持っています。そのため、これらは光ファイバネットワークシステム、X線およびガンマ線検出、光検出器に使用されます。

ショットキーフォトダイオード

ショットキーフォトダイオードでは、アルミニウムやプラチナなどの金属層がn型半導体層と結合されます。これらの間の空間は金属-半導体ジャンクションと呼ばれます。この空間の大きさは、この空乏領域で形成されるエネルギーバリアの高さに応じて異なります。電子はこのバリアを乗り越えてデバイスを移動する必要があります。

バリアの高さが低い場合、デバイスは「非整流」と呼ばれます。高い場合、「整流」と呼ばれます。前者は電流に対して少ない抵抗を示し、後者は抵抗が高くなります。

これが、このデバイスの機能を順および逆バイアスの間で切り替える能力と組み合わせて、これらのフォトダイオードがさまざまなアプリケーションに役立つ理由です。これには、高速スイッチング、高周波、電源機能が含まれます。