光センサゼミナール

第1回 フォトダイオードの特性と原理

フォトダイオードは、一般に光起電力効果を利用した受発光素子で、その特徴として、

  1. プレーナ構造であるため、ダイオード特性(カーブファクター)が良く、負荷をかけた時の動特性に優れている。
  2. 低照度から高照度まで光電流の直線性が良好である。
  3. 素子間の光出力のバラツキが同一組立状態で少ない。
  4. 応答速度が速い。
  5. 分光感度波長が広い。

などが考えられます。

1.動作原理

図1にPN接合のエネルギーバンドを示します。
図1.フォトダイオードの断面図とエネルギーバンド
図1.フォトダイオードの断面図とエネルギーバンド

フェルミ準位は熱平衡状態で、P層とN層で一致しており、内部では電位障壁が生じます。ここにEgよりも大きなエネルギーを持つ光(E=hv)が照射されると、電子は伝導体に引き上げられ、電子と後に残る正孔が対となって形成されます。この電子正孔対はいたる所で形成され、特に空乏層中で形成された場合は、直ちにその電界によって加速され、電子はN層へ、正孔はP層へ移動します。また、P層N層で発生した場合、P層の電子、N層の正孔は拡散し空乏層にたどりついたものは、更に電界によって加速され、各々、N層、P層へ入り電荷が蓄積されます。(光起電力効果)
熱平衡状態より過剰の電子数正孔数となり、P層、N層が開放状態(OPEN)となっていれば、P層、N層のフェルミ準位の差が、開放電圧という形で測定できます。(図2) また短絡状態(SHORT)となっていれば、外部回路に流出、短絡電流という形で測定できます。(図3)外部負荷を端子間に接続すれば、光のエネルギーを電気エネルギーとして得ることができます。

図2.開放電圧
図2.開放電圧

図3.短絡電流
図3.短絡電流


2.フォトダイオードの代表特性

(1)V-I特性

フォトダイオードのV-I特性は暗中では、通常の整流ダイオードと同じです。(図4)しかし、フォトダイオードに光が照射されると、光の強さに従ってV-I特性が下に移動します。この時、端子間を開放しておくと、Vocの電圧が生じ、短絡すると逆方向にIscの電流が入射光量に比例して流れます。(図5)は照度をパラメータにIscとの直線性を示したものです。Iscは103Lux〜104Lux位の範囲において非常に優れた直線性を有しています。

図4.V-I特性
図4.V-I特性

図5.短絡電流/照度特性
図5.短絡電流/照度特性


(2)分光感度

受光素子と組み合わせる光源は太陽光、蛍光灯、タングステン電球、LED、レーザー光など、各々独自の発光波長を有しています。しかし、コーデンシの受光素子はシリコン基板としており、素子(チップ)自体としては、可視光領域から近赤外に至るまで広い分光感度をもっているため、ほとんどの光源との組み合わせが可能です。また使用目的によって光学的フィルターつきのデバイスもあり、可視光領域のみに感度を有する受光素子や赤外光のみに感度を有する受光素子もあります。(図6)
図6.各種光源とフォトダイオード
図6.各種光源とフォトダイオード

(3)応答特性

応答速度は外部負荷抵抗RLと内部直列抵抗RS、P層N層の接合容量Cjの時定数でほぼ決まります。
tr∝Cj×(RL+RS)≒Cj×RL(RL≫RS
応答速度の改善のためには、一般に(1)逆バイアスを印加してCjを小さくする(2)受光面積を小さくする(3)負荷抵抗を小さくする等が考えられます。しかし必ず他の特性との関係があることに注意する必要があります。またPINシリコンフォトダイオードは高速光検出に大変有効です。

(4)暗電流

受光素子に光を照射しない時に流れる電流を暗電流(Id)といいます。受光素子としてはIdの小さいことが望まれます。これは低照度領域の検出限界となるためです。
一方、暗電流は逆バイアスと周囲温度の上昇に比例して増加するという傾向があります。従って低照度におけるリニアリティが必要な場合には、極力逆バイアスの印加を避けるべきです。

3.形状

フォトダイオードは、そのパッケージの方法により特性が大きく変わってきます。そのため用途にあったフォトダイオードを選ぶ必要があります。
図7(a)のフォトダイオードは樹脂成形品で、薄型、立形状のフォトダイオードです。受光面がフラットで、しかも受光面が大きくなっていますので、発光側との光軸合わせが容易です。図7(b)のフォトダイオードは透明樹脂成形品で、薄型、小型であり、小型機器や精密機器に最適です。図7(c)のタイプは、セラミックステムにマウントしたもので、薄型ですのでフレキシブルP.C.Bへの実装や高さをおさえた回路に有効です。いずれのタイプにしても、フォトダイオードの光信号に対する直線性を利用しており、出力、指向性などに対して様々な特長をもったフォトダイオードがあります。

(a)HP5F
(a)HP5F

(b)HPI-2464/2464R5F
(b)HPI-2464/2464R5F

(c)HPI-2C、2CR2
(c)HPI-2C、2CR2


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