【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,光を電気信号に変換する半導体素子です.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,光を電気信号に変換するダイオード (半導体素子)です.フォトダイオードは光の検知やイメージセンサ (画像を取得するセンサ),太陽電池などに応用されます.

 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,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

 下の図に,PN型フォトダイオードの基本構造と回路記号を示します.

PhotoDiode
図1 PN型フォトダイオードの基本構造

 PN型フォトダイオードは,pn接合の構造をしています.pn接合では,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層へ移動します.つまりは電流が流れます.このようにして,フォトダイオードでは光を電気に変換します.

 フォトダイオードでは照射された光が大きいほど,流れる電流も大きくなります.そのため,フォトダイオードを使うことで,どれだけの光が照射されているかがわかります.これをセンサとして利用しています.

 また,フォトダイオードは光のエネルギーを電気エネルギーに変換します.これを利用したのが,太陽電池 (ソーラーパネル)です.

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.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似た光電変換素子にフォトトランジスタがあります.以下で,それぞれについて簡単に説明していきます.

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,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.

埋め込みフォトダイオード

 埋め込みフォトダイオードはイメージセンサなどで一般的に使われるフォトダイオードです.埋め込みフォトダイオードは,フォトダイオードのn層の表面にp層を設けることでn層を埋め込んだフォトダイオードです.埋め込みフォトダイオードにすることで表面で発生する暗電流を小さくさせることができます.また埋め込みフォトダイオードではn層を完全空乏化することができるので,拡散・ドリフトによって電荷が転送されやすくなるため残像を抑えることができます.

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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