【イメージセンサ】フォトダイオード (PD)とは?

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工学


フォトダイオード (PD)は光を検出するための半導体素子です.本記事ではフォトダイオードの説明をします.

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フォトダイオードとは

フォトダイオードは光を検出するための半導体素子で,光を電気信号に変換するダイオードです.フォトダイオードにはPN型,PIN型,アバランシェ (APD)型などがありますが,基本的な動作の概念は同じです.以下では基本的なPN型フォトダイオードの説明をします.

フォトダイオードの基本構造

下の図のようにn型とp型の半導体の接合部分で空乏層ができます.その空乏層に光が入射されると,光電効果により空乏層内で電子が励起され,電子と正孔が発生します.空乏層で発生した電子はn層へ,正孔はp層へ流れ,フォトダイオードのn側とp側それぞれの端子であるカソード (K),アノード (A)に負荷がつながれていればカソードからアノードにかけて電流が流れます.

PhotoDiode
図1 PN型フォトダイオードの基本構造

フォトダイオードの種類

フォトダイオードは主にPN型PIN型アバランシェ (APD)型の3種類があります.またフォトダイオードではありませんがフォトダイオードと同じ光電変換素子であるフォトトランジスタについて簡単に紹介します.

PN型フォトダイオード

PN型フォトダイオードは図1で説明したようにpn接合を利用したフォトダイオードです.PN型フォトダイオードは構造が簡単で,応用速度が速くはないものの暗電流が小さい特徴があります.PN型フォトダイオードは太陽電池やイメージセンサで良く用いられます.

PIN型フォトダイオード

PIN型フォトダイオードはpn接合の間にできる空乏層の代わりにi型半導体 (真性半導体:Intrinsic Semiconductor)を追加した構造をしています.PIN型フォトダイオードは応答速度が速い特徴があります.

アバランシェフォトダイオード (APD)

アバランシェフォトダイオード (APD)は逆バイアスをかけてなだれ降伏が起きやすい状態にしたフォトダイオードです.微小の信号が入るとなだれ降伏が起きるため増幅機能を持ち,また高速に応答する特徴があります.

フォトトランジスタ

フォトトランジスタはフォトダイオードと同じ光電変換素子で基本的にバイポーラトランジスタと同じ構造をしています.フォトトランジスタは増幅機能を持つため高感度ですが応答速度が遅い特徴があります.

まとめ

  • フォトダイオード (PD):光を検出するための半導体素子
  • PN型フォトダイオード:pn接合を利用したフォトダイオード
  • PIN型フォトダイオード:pn接合の間にできる空乏層の代わりにi型半導体追加したフォトダイオード
  • アバランシェフォトダイオード (APD):なだれ降伏を利用したフォトダイオード
  • フォトトランジスタ:バイポーラトランジスタと同じ構造を持つ光電変換素子

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コメント

  1. なんで光が入ると電子が励起するんですか

    • 光はエネルギーを持っています.その光が空乏層にあたり,イオンに引っ付いていた電子が光のエネルギーを吸収してイオンから離れて励起します.電子だけでなく正孔も同じようになります.ここは半導体を学ぶとよくわかります.

  2. p+の隣のnってなんのために入れたものなんですか

    • PD(フォトダイオード)は空乏層で電荷を発生したキャリアを利用します.もともとはp-wellとnの間の空乏層で電荷を発生させます.しかしそれだけでは発生した電子が回りや表面に流れてしまうためp+を囲んでいます.なのでn層があることでPDができます.

      • なぜn+ではなくてnを使っているかが分からないです。
        ちなみにここのnというのはn-wellのことなのでしょうか?

        • 通常はPDはp層の濃度を濃くして,n層の濃度を薄くします.これにn層でより広く空乏層を作ることができます.空乏層で光から電荷を発生させるため空乏層が広いほうが有利なります.

      • p+とnの濃度関係も知りたいです。
        宜しくお願いします。

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