フォトダイオード

フォトダイオードは、可視光、赤外線、紫外線、X線、ガンマ線などの光子放射に感度を持つ半導体ダイオードです。^{[ 1 ]}光子を吸収すると電流が発生します。これは、検出や測定用途、または太陽電池での電力生成に使用できます。フォトダイオードは、可視光光電池からガンマ線分光計まで、電磁スペクトル全体にわたる幅広い用途で使用されています。

フォトダイオードはPIN構造またはp-n接合です。十分なエネルギーを持つ光子がダイオードに当たると、電子-正孔対が生成されます。このメカニズムは内部光電効果としても知られています。吸収が接合部の空乏層、またはそこから拡散長分離れた場所で起こると、これらのキャリアは空乏層の内部電界によって接合部から掃き出されます。したがって、正孔は陽極に向かって、電子は陰極に向かって移動し、光電流が生成されます。フォトダイオードを流れる全電流は暗電流（光がないときに流れる電流）と光電流の合計であるため、デバイスの感度を最大化するには暗電流を最小限に抑える必要があります。^{[ 2 ]}したがって、フォトダイオードは逆バイアスで最も理想的に動作します。

一次近似では、特定のスペクトル分布に対して、光電流は放射照度に線形的に比例する。^{[ 3 ]}

太陽光発電モード

光起電力モード（ゼロバイアス）では、光電流はカソードへの短絡回路を介してアノードに流れます。回路が開いているか、負荷インピーダンスがあり、デバイスから光電流が流出するのを制限している場合、ダイオードを順方向バイアスする方向、つまりカソードに対してアノードが正となる方向に電圧が発生します。回路が短絡しているかインピーダンスが低い場合、順方向電流が光電流の全部または一部を消費します。このモードは、太陽電池の基礎となる光起電力効果を利用しています。従来の太陽電池は、単に大きな面積のフォトダイオードです。最適な電力出力を得るには、光起電力セルは、光電流に比べて小さな順方向電流しか発生しない電圧で動作します。^{[ 3 ]}

アバランシェフォトダイオードは、逆方向降伏電圧に近い高逆バイアスで動作するように構造が最適化されたフォトダイオードです。これにより、光生成された各キャリアがアバランシェ降伏によって増倍されデバイスの実効応答性が向上します。 ^{[ 5 ]}

フォトトランジスタは、光に感応するトランジスタです。一般的なフォトトランジスタの一種であるバイポーラフォトトランジスタは、基本的にバイポーラトランジスタを透明なケースに収めたもので、光がベース・コレクタ接合部に到達できるようになっています。これは、 1948年にベル研究所のジョン・N・シャイブによって発明されました^{[ 6 ] : 205}ですが、1950年まで発表されませんでした^{[ 7 ]。}ベース・コレクタ接合部で光子によって生成された電子はベースに注入され、このフォトダイオード電流はトランジスタの電流利得β（またはhfe）によって増幅されます_。ベースとコレクタのリード線を使用し、エミッタを接続しない場合、フォトトランジスタはフォトダイオードになります。フォトトランジスタは光に対する応答性が高いものの、低レベルの光を検出する能力はフォトダイオードよりも優れているわけではありません。また、フォトトランジスタは応答時間が著しく長くなります。もう一つのタイプのフォトトランジスタである電界効果フォトトランジスタ（フォトFETとも呼ばれる）は、光に感応する電界効果トランジスタである。フォトバイポーラトランジスタとは異なり、フォトFETはゲート電圧を生成することによってドレイン・ソース電流を制御する。

ソーラートランジスタは、2端子ゲートレスフォトトランジスタです。このようなソーラートランジスタの小型クラスは、2018年にICN2の研究者によって実証されました。この新しいコンセプトは、光生成キャリアの流れにおけるメモリ抵抗効果を利用して太陽エネルギーで動作する、電源とトランジスタが一体化したデバイスです。^{[ 8 ]}

フォトダイオードの製造に使用される材料は、その特性を決定する上で非常に重要です。なぜなら、材料のバンドギャップを超えて電子を励起するのに十分なエネルギーを持つ光子だけが、有意な光電流を生成するからです。

フォトダイオードの製造に一般的に使用される材料を以下の表に示します。^{[ 9 ]}

シリコン系フォトダイオードは、ゲルマニウム系フォトダイオードよりもバンドギャップが大きいため、ノイズの発生が少ない。

MoS ₂やグラフェンなどの二元材料は、フォトダイオード製造のための新しい材料として登場した。^{[ 10 ]}

光を照射すると、p-n接合はフォトダイオードになる可能性があります。ダイオード、トランジスタ、ICなどの半導体デバイスにはp-n接合が含まれており、不要な光が照射されると正しく機能しません。^{[ 11 ] [ 12 ]}これは、デバイスを不透明な筐体に封入することで回避されます。これらの筐体が高エネルギー放射線（紫外線、X線、ガンマ線）に対して完全に不透明でない場合、誘導光電流により、ダイオード、トランジスタ、ICが誤動作する可能性があります。 ^{[ 13 ]}パッケージからのバックグラウンド放射線も重要です。^{[ 14 ]}耐放射線処理により、これらの影響が軽減されます。

場合によっては、その効果が実際に望ましい場合もあり、例えば、 LEDを感光デバイスとして使用する場合（「光センサーとしてのLED 」を参照）、あるいはエネルギーハーベスティングに使用する場合などがあり、その場合は、発光および光吸収ダイオード（LEAD）と呼ばれることもあります。^{[ 15 ]}

フォトダイオードの重要な性能パラメータには、分光応答性、暗電流、応答時間、および雑音等価電力などがある。

分光応答性

分光応答性とは、光伝導モードで使用する場合、発生する光電流と入射光パワーの比であり、A / Wで表される。波長依存性は、量子効率、すなわち光生成キャリア数と入射光子数の比として表すこともできるが、これは無次元量である。

暗電流

暗電流とは、光がない状態でフォトダイオードが光伝導モードで動作しているときに流れる電流のことです。暗電流には、背景放射によって発生する光電流と半導体接合部の飽和電流が含まれます。フォトダイオードを用いて正確な光パワー測定を行う場合は、校正によって暗電流を考慮する必要があります。また、フォトダイオードを光通信システムで使用する場合、暗電流はノイズ源となります。

応答時間

応答時間とは、検出器が光入力に応答するのに必要な時間です。半導体材料に吸収された光子は電子-正孔対を生成し、この対は電界の影響を受けて材料内を移動し始め、電流を生成します。この電流の有限な持続時間は、通過時間スプレッドとして知られており、ラモの定理を使用して評価できます。この定理を使用すると、外部回路で生成される総電荷は、2つのキャリアの存在から予想される2eではなく、eであることを示すこともできます。実際、電子と正孔の両方による電流の時間積分はeに等しくなければなりません。フォトダイオードと外部回路の抵抗と容量は、RC時定数（${\displaystyle \tau =RC}$このRとCの組み合わせにより、光応答が時間的に積分され、フォトダイオードのインパルス応答が長くなります。光通信システムで使用する場合、応答時間は信号変調、ひいてはデータ伝送に使用できる帯域幅を決定します。

雑音等価電力

雑音等価電力 (NEP) は、光電流を生成するための最小入力光パワーであり、1ヘルツの帯域幅における実効雑音電流に等しい。NEP は本質的に最小検出可能電力である。関連する特性検出能( ${\displaystyle D}$) は NEP (1/NEP) の逆数であり、特定の検出能(${\displaystyle D^{\star }}$) は検出率に面積の平方根を掛けたものです (${\displaystyle A}$光検出器の（${\displaystyle D^{\star }=D{\sqrt {A}}}$）1  Hzの帯域幅の場合。特定の検出能により、センサー領域やシステム帯域幅に関係なく、異なるシステムを比較できます。検出能の値が高いほど、低ノイズのデバイスまたはシステムであることを示します。^{[ 16 ]}従来は（${\displaystyle D^{\star }}$多くのカタログではダイオードの品質の指標として挙げられていますが、実際にはそれが重要なパラメータとなることはほとんどありません。

光通信システムでフォトダイオードを使用する場合、これらのパラメータはすべて光受信機の感度に影響を与えます。光受信機の感度とは、受信機が指定されたビット誤り率を達成するために必要な最小入力電力のことです。

P-nフォトダイオードは、光導電体、電荷結合素子（CCD）、光電子増倍管などの他の光検出器と同様の用途で使用されます。これらは、照明に依存する出力を生成するため（測定用のアナログ）、または回路の状態を変更するため（制御やスイッチング、あるいはデジタル信号処理用のデジタル）に使用できます。

フォトダイオードは、コンパクトディスクプレーヤー、煙探知機、医療機器^{[ 17 ]} 、テレビからエアコンまで機器を制御する赤外線リモコンの受信機などの民生用電子機器に使用されています。多くの用途では、フォトダイオードまたは光導電体のどちらかを使用できます。どちらのタイプの光センサも、カメラの露出計のように光を測定するために使用することも、暗くなってから街灯を点灯させるように光レベルに反応するために使用することもできます。

あらゆる種類の光センサは、入射光または同一回路やシステムの一部である光源に反応するために使用できます。フォトダイオードは、多くの場合、発光ダイオード（LED）などの発光体と一体化され、光路への機械的な障害物の存在を検出するため（スロット型光スイッチ）、または2つのデジタル回路もしくはアナログ回路を結合し、それらの間の電気的絶縁を極めて高く保つため（多くの場合、安全性のため）に使用されます（オプトカプラ）。LEDとフォトダイオードの組み合わせは、多くのセンサシステムにおいて、製品の光吸収に基づいて様々な種類の製品を特性評価するためにも使用されています。

フォトダイオードは、科学や産業分野において光強度を正確に測定するためによく用いられる。一般的に、フォトダイオードは光伝導体よりも線形応答性が高い。

これらは、コンピュータ断層撮影用の検出器（シンチレーターと組み合わせる）、サンプル分析装置（免疫測定法）、パルスオキシメーターなど、さまざまな医療用途にも広く使用されています。

PINダイオードはp-n接合ダイオードよりもはるかに高速で感度が高いため、光通信や照明制御によく用いられる。

P-nフォトダイオードは、極めて低い光強度を測定するために使用されません。代わりに、高い感度が必要な場合は、天文学、分光法、暗視装置、レーザー測距などの用途で、アバランシェフォトダイオード、増感型電荷結合素子、または光電子増倍管が使用されます。

数百または数千個のフォトダイオードからなる一次元アレイは、例えば角度センサーの一部として位置センサーとして使用できます。 ^{[ 23 ]} 二次元アレイはイメージセンサーや光学マウスで使用されています。

用途によっては、フォトダイオードアレイを用いることで、電荷結合素子（CCD）やCMOSセンサーのように走査回路を組み込むのではなく、高速な並列読み出しが可能になります。写真に示されている光学式マウスチップは、4×4アレイ内の16個のフォトダイオードすべてに並列（多重化ではなく）でアクセスできます。

 この記事は、連邦規格1037C（一般調達局）からのパブリックドメイン資料を組み込んでいます。 2022年1月22日にオリジナルからアーカイブされました。

• フォトダイオードのI-V特性（2022年2月26日にWayback Machineにアーカイブ済み）
• フォトダイオードを使用してPCを光強度ロガーに変換する
• フォトトランジスタ回路の設計基礎（2005年2月5日にアーカイブ済み）
• フォトダイオードの動作原理（ 2009年2月12日にWayback Machineにアーカイブ済み）
• Pacerウェブサイト上のExcelitasアプリケーションノート（2016年3月4日にアーカイブ済み）