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フォトダイオードに関する知識

2022-05-27

定義: p-n または p-i-n 構造で光を検出する半導体デバイス。
フォトダイオードは光検出器としてよく使用されます。このようなデバイスには p-n 接合が含まれており、通常は n 層と p 層の間に真性層があります。固有層を持つデバイスは次のように呼ばれます。PIN型フォトダイオード。空乏層または真性層は光を吸収し、光電流に寄与する電子正孔対を生成します。広い出力範囲にわたって、光電流は吸収された光の強度に厳密に比例します。
動作モード
フォトダイオードは 2 つの異なるモードで動作できます。
太陽光発電モード: 太陽電池と同様に、太陽電池によって生成される電圧。フォトダイオード光を照射して測定することができます。ただし、電圧と光パワーの関係は非線形であり、ダイナミックレンジは比較的小さいです。そして最高速度にも到達できません。
光導電モード: この時点で、逆電圧がダイオードに印加され(つまり、入射光がない場合、ダイオードはこの電圧では非導電性になります)、結果として生じる光電流が測定されます。 (電圧を 0 に近く保つだけで十分です。) 光電流の光パワーへの依存性は非常に線形であり、その大きさは光パワーより 6 桁以上大きくなります (たとえば、シリコン p-i-n の場合)。数 mm2 のアクティブ領域フォトダイオードの場合、後者は数ナノワットから数十ミリワットの範囲にあります。逆電圧の大きさは光電流にはほとんど影響せず、暗電流（光がない場合）には弱い影響を与えますが、電圧が高くなるほど応答が速くなり、デバイスの加熱も速くなります。
一般的なアンプ (トランスインピーダンスアンプとも呼ばれる) は、フォトダイオードの前置増幅によく使用されます。この増幅器は、フォトダイオードが光伝導モードで動作するように、電圧を一定に維持します（たとえば、0 に近い値、または調整可能な負の数）。また、電流アンプは一般に優れたノイズ特性を備えており、抵抗と電圧アンプで構成される単純なループよりもアンプの感度と帯域幅のバランスが良くなります。一部の商用アンプ設定では、研究室での測定出力を非常に柔軟にするために多くの異なる感度設定を使用しているため、広いダイナミックレンジ、低ノイズが得られ、ディスプレイが内蔵されているものや、調整可能なバイアス電圧と信号オフセットがあり、フィルタを調整できるものもあります。、など。
半導体材料:
一般的なフォトダイオードの材料は次のとおりです。
シリコン (Si): 暗電流が小さく、速度が速く、400 ～ 1000nm の範囲で高感度 (800 ～ 900nm の範囲で最高)。
ゲルマニウム (Ge): 高い暗電流、大きな寄生容量による低速、900 ～ 1600 nm の範囲での高感度 (1400 ～ 1500 nm の範囲で最高)。
インジウムガリウムヒ素リン (InGaAsP): 高価、低暗電流、高速、1000 ～ 1350nm の範囲で高感度 (1100 ～ 1300nm の範囲で最高)。
インジウムガリウムヒ素 (InGaAs): 高価、低暗電流、高速、900 ～ 1700nm の範囲で高感度 (1300 ～ 1600nm の範囲で最高)
より広いスペクトル応答を持つモデルを使用すると、上記の波長範囲を大幅に超える可能性があります。
主要なプロパティ:
最も重要な特性は、フォトダイオードそれは：
応答性は光電流を光パワーで割ったもので、量子効率に関係しており、波長に依存します。
アクティブエリア、つまり光に敏感なエリア。
最大許容電流 (通常は飽和効果によって制限されます)。
暗電流 (光伝導モードで存在し、非常に低い光強度を検出するために非常に重要です)。
速度、つまり帯域幅は立ち上がり時間と立ち下がり時間に関係し、誘電率の影響を受けます。

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