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、イメージセンサや赤外線センサなどにも利用される重要な素子です。本記事ではフォトダイオードの説明をします．
フォトダイオードとは
フォトダイオードの概要
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．
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吸収により電子・正孔対が生成します．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pn接合を利用した基本的なフォトダイオードです。構造が比較的簡単で、光検出などに広く利用されます。高速応答が必要な用途ではPINフォトダイオードなどが用いられます。また、現在のCMOSイメージセンサでは低暗電流や低残像などの特性から埋め込みフォトダイオード（Pinned Photodiode：PPD）が広く利用されています。
PIN型フォトダイオード
PIN型フォトダイオードは，p層とn層の間に，不純物濃度の低いi層を設けた構造です．逆バイアスによってi層を広く空乏化させ，光で生じたキャリアを電界で集めます．小さな接合容量とキャリアの速い収集によって，高速応答を得やすくなります．
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，強い逆方向電界による衝突イオン化で光電流を内部増倍する素子です．通常の線形動作では降伏電圧より低い逆電圧をかけ，光の強さに応じた出力を得ます．降伏電圧を超えて使うガイガーモードでは，なだれ降伏を止めるための消弧回路が必要です．
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：p層とn層の間に低不純物濃度のi層を設けたフォトダイオード
- アバランシェフォトダイオード (APD)：衝突イオン化によるなだれ増倍で光電流を増幅するフォトダイオード
- 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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