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フォトディテクタ(光検出器)とは

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■フォトディテクタ(光検出器)とは

フォトディテクタ(光検出器)は光を電気に変換する計測用デバイスで、光電効果を利用した光電子増倍管(フォトマル)や光照射による電気抵抗変化を利用したCdS、PbSなどの光電導素子も含まれますが、代表的なのは半導体のpn接合を利用した光起電力型のフォトダイオードです。フォトダイオード(PD)は、光量計測、イメージ計測、DVDのピックアップ、光通信における光信号検出など多くの分野で使われている光検出器で、主なタイプにPN型PD、PIN型PD、APD(Avalanche photodiode)の3つがあります。

PDの大切な特性に受光感度、暗電流(ノイズ)、応答速度があります。受光感度は光をどれだけよく吸収して電子、ホールを発生するかにより、光をよく吸収するほど感度がよくなります。暗電流は光が当たっていないときに流れる電流で、暗電流が小さいほどノイズが小さくなります。応答速度は半導体内を移動する電子の速度によります。PN-PD、PIN-PD、APDはこれらの特性に違いがあり、用途に応じた使い分けが必要です。

 

■フォトダイオードの構造と原理
●PN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のPDで、応答速度は遅いものの暗電流が小さい特徴があり、光量測定によく使われます。図1(a)のようにpn接合した半導体に電極を付けた構造で、太陽電池と同じです。空乏層と呼ばれるpn接合付近に内部電界が発生するため外部から電圧を加えなくても光が当たると電流が流れます。pn接合付近に内部電界が発生する理由は以下です。n型半導体には動きやすい電子が多いため一部がp型半導体に移動してホールと結合し電荷を打ち消し合い空乏層と呼ばれる領域ができます。空乏層のn型半導体では電子がなくなるので+に、p型半導体ではホールがなくなるので-に帯電し、内部電界が発生します。

図1(b)のように空乏層に光を照射すると電子とホールが発生し、内部電界により電子はn型半導体側の電極へ、ホールはp型半導体側の電極へ移動し、光の照射中ずっと電流が流れます。

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図1(a) PDの構造

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図1(b) PDの動作

●PINフォトダイオード

PIN-PDは、応答速度が速く暗電流も小さいので光通信の受信機をはじめ最も多く使われています。構造は、図2(a)のようにp型半導体とn型半導体の間に絶縁性のi型半導体を挟んでいます。PN型半導体ではpn接合付近に電子もホールもない空乏層とよばれる領域ができますが、PIN-PDでは空乏層の代わりに電子もホールもないi型半導体を予め作っておいた構造といえます。

PIN-PDでは絶縁性のi層に電圧をかけて使用します。i層への光照射で生成した電子、ホールはこの電圧により移動が加速され高速応答性が得られます。

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図2(a)PIN-PDの構造

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図2(b) PIN-PDの動作

●アバランシェフォトダイオード(APD)

APDは増幅機能を持つ超高速応答性のPDで、微弱光信号の検出に適しています。構造は、図3(a)のようにp型半導体がp+層、p-層、p層の3層に分かれています。p+はキャリア濃度の高い層、p-は低い層を表しています。機能的にみると、p-層は光を吸収して電子、ホールを生成する役割、p層は生成した電子を高電界で加速して電子雪崩を起こさせる役割です。増幅は電子雪崩によって起こります。電子雪崩(Avalanche)は加速された電子が半導体の原子に衝突して電子、ホールを生成し、生成した電子がまた別の原子に衝突して次々電子、ホールを発生させていく現象です。こうして電子、ホールが何倍にも増えるので微弱な光でも大きな電流が流れて検出できます。

APDは高い電圧をかけて使いますが、各層にかかる電界は図3(b)のようになっています。p層を薄くしているので空乏層に大きな電界勾配ができています。光照射によりp-層で生成した電子はこの電界勾配で加速され電子雪崩が発生します。

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図3(a) APDの構造

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図3(b) APDの動作

PDで受光する場合、半導体に光が吸収されて電子-ホール対が発生することが必要です。半導体はどのような波長の光も吸収するわけではないので、測定したい波長にあった材料を選ぶことが必要です。一般的な材料はSiとInGaAsで、この2つで0.19μm – 2.6μmの波長範囲をカバーしています。さらに長い波長を受光するにはInAs (1 – 3.1μm)、InSb (1 – 5.5μm)、HgCdTe (2 – 16μm)を使用しますが、何れも液体窒素冷却が必要です。

表1に代表的なPDの受光波長帯を示します。例えば、この表ではSi PN-PDの受光波長帯は0.19 – 1.1μmとなっていますが、1つの素子でこの波長帯全てをカバーしている訳ではなく、素子の構造を工夫したり、窓材を変えるなどして短波長や長波長で特に感度をよくした素子が含まれています。従って、素子を購入するときは必要な波長帯で感度の優れた製品を選択する必要があります。InGaAsの場合も同様に1つの素子で全波長帯をカバーしている訳ではありませんので製品の選択が必要です。

表1.代表的なPDの受光波長帯

Si InGaAs
PN-PD 0.19 – 1.1μm 07 – 1.7μm
PIN-PD 0.35 – 1.1μm 0.5 – 2.6μm
APD 0.4 – 1.1μm 0.9 – 1.7μm

 

 

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