フォトダイオードは PN接合ダイオード光エネルギーを消費して電流を生成します。光検出器、光検出器、光センサーとも呼ばれます。これらのダイオードは、特に逆バイアス状態で動作するように設計されています。つまり、フォトダイオードのP側がバッテリーの負端子に接続され、n側がバッテリーの正端子に接続されます。このダイオードは光に対して非常に複雑であるため、光がダイオードに当たると、光は簡単に電流に変わります。太陽電池は、大面積フォトダイオードとしてもブランド化されています。太陽エネルギーを電気エネルギーに変換します。しかし、太陽電池は明るい光の中でしか機能しません。

フォトダイオードとは何ですか？

フォトダイオードは光検出器の一種であり、デバイスの動作モードに基づいて光を電流または電圧に変換するために使用されます。これは、光学フィルター、内蔵レンズ、および表面積で構成されています。これらのダイオードは、フォトダイオードの表面積が増えると応答時間が遅くなります。フォトダイオードは通常の半導体ダイオードに似ていますが、光がデバイスのデリケートな部分に到達するように見える可能性があります。を対象としたいくつかのダイオードフォトダイオードとまったく同じように使用すると、通常のPN接合よりもPIN接合も使用されます。

一部のフォトダイオードは次のようになります発光ダイオード。端から2つの端子があります。ダイオードの小さい方の端がカソード端子で、ダイオードの長い方の端がアノード端子です。アノード側とカソード側については、次の回路図を参照してください。順方向バイアス条件下では、従来の電流は、ダイオード記号の矢印に従って、アノードからカソードに流れます。光電流は逆方向に流れます。

フォトダイオードの種類

市場には多くの種類のフォトダイオードがあり、それらはすべて同じ基本原理で動作しますが、他の効果によって改善されるものもあります。異なるタイプのフォトダイオードの動作はわずかに異なる方法で動作しますが、これらのダイオードの基本的な動作は同じままです。フォトダイオードの種類は、その構造と機能によって次のように分類できます。

PNフォトダイオード
ショットキーフォトダイオード
PINフォトダイオード
アバランシェフォトダイオード

PNフォトダイオード

最初に開発されたタイプのフォトダイオードはPNタイプです。他のタイプと比較して、その性能は向上していませんが、現在、いくつかのアプリケーションで使用されています。光検出は主にダイオードの空乏領域で行われます。このダイオードは非常に小さいですが、他のダイオードと比較して感度は高くありません。 PNダイオードの詳細については、このリンクを参照してください。

“通常の電話ケーブルは一種です ”

PINフォトダイオード

現在、最も一般的に使用されているフォトダイオードはPINタイプです。このダイオードは、標準のPNフォトダイオードと比較して、光子をより強力に収集します。これは、P領域とN領域の間の固有領域が広いため、より多くの光を収集できるため、それに加えて、静電容量も低くなります。 PINダイオードの詳細については、このリンクを参照してください。

アバランシェフォトダイオード

この種のダイオードは、ゲインレベルが高いため、暗い場所で使用されます。高レベルのノイズが発生します。したがって、このテクノロジーはすべてのアプリケーションに適しているわけではありません。アバランシェダイオードの詳細については、このリンクを参照してください。

ショットキーフォトダイオード

ショットキーフォトダイオードはショットキーダイオードを使用しており、小さなダイオード接合が含まれているため、接合容量が小さいため、高速で動作します。したがって、この種のフォトダイオードは、光ファイバーリンクなどの高帯域幅（BW）光通信システムで頻繁に使用されます。ショットキーダイオードの詳細については、このリンクを参照してください。

フォトダイオードの種類ごとに、それぞれ長所と短所があります。このダイオードの選択は、アプリケーションに基づいて行うことができます。フォトダイオードを選択する際に考慮すべきさまざまなパラメータには、主にノイズ、波長、逆バイアス制約、ゲインなどがあります。フォトダイオードの性能パラメータには、応答性、量子効率、通過時間、または応答時間が含まれます。

これらのダイオードは、光、色、位置、強度の存在を検出する必要があるアプリケーションで広く使用されています。これらのダイオードの主な機能は次のとおりです。

ダイオードの直線性は入射光に対して良好です
ノイズが少ないです。
応答は広いスペクトルです
機械的に頑丈
軽量でコンパクト
長寿

フォトダイオードを作るために必要な材料と電磁スペクトルの波長範囲の範囲は次のとおりです。

シリコン材料の場合、電磁スペクトルの波長範囲は（190-1100）nmになります
ゲルマニウム材料の場合、電磁スペクトルの波長範囲は（400-1700）nmになります
インジウムガリウムヒ素材料の場合、電磁スペクトルの波長範囲は（800-2600）nmになります。
硫化鉛（II）材料の場合、電磁スペクトルの波長範囲は次のようになります。<1000-3500) nm
テルル化カドミウムの水銀材料の場合、電磁スペクトルの波長範囲は（400-14000）nmになります。

Siベースのフォトダイオードはバンドギャップが優れているため、Geベースのフォトダイオードよりもノイズが低くなります。

建設

フォトダイオードの構築は、P型とN型のような2つの半導体を使用して行うことができます。この設計では、P型材料の形成は、軽くドープされたP型基板の拡散から行うことができます。そのため、拡散法によりP +イオン層を形成することができます。 N型の基板上にN型エピタキシャル層を成長させることができます。

フォトダイオードの構築

P +拡散層の開発は、高濃度にドープされたN型エピタキシャル層上で行うことができます。接点は、アノードとカソードのような2つの端子を作るために金属で設計されています。ダイオードの前面領域は、アクティブサーフェスと非アクティブサーフェスのように2つのタイプに分けることができます。

非アクティブな表面の設計は、二酸化ケイ素（SiO2）を使用して行うことができます。アクティブなサーフェスでは、光線はその上に当たる可能性がありますが、非アクティブなサーフェスでは、光線は当たることができません。＆アクティブな表面は反射防止の材料で覆われているので、光のエネルギーが失われることはなく、その最高のものを電流に変えることができます。

フォトダイオードの働き

フォトダイオードの動作原理は、十分なエネルギーの光子がダイオードに当たると、2つの電子正孔を作ることです。このメカニズムは、内部光電効果とも呼ばれます。空乏領域接合部で吸収が発生した場合、キャリアは空乏領域の内蔵電界によって接合部から除去されます。

フォトダイオードの動作原理

したがって、この領域の正孔はアノードに向かって移動し、電子はカソードに向かって移動し、光電流が生成されます。ダイオードを流れる全電流は、光がないことと光電流の合計です。したがって、デバイスの感度を最大化するには、不在電流を減らす必要があります。

動作モード

フォトダイオードの動作モードには、光起電モード、光伝導モード、アバランシェダイオードモードの3つのモードがあります。

太陽光発電モード： このモードはゼロバイアスモードとも呼ばれ、軽量化されたフォトダイオードによって電圧が生成されます。それは非常に狭いダイナミックレンジと形成された電圧の非線形の必要性を与えます。

光伝導モード： この光伝導モードで使用されるフォトダイオードは、通常、逆バイアスされています。逆電圧を印加すると、空乏層の幅が広がり、応答時間と接合容量が減少します。このモードは速すぎて電子ノイズを表示します

アバランシェダイオードモード： アバランシェダイオードは、高い逆バイアス条件で動作します。これにより、光生成された各電子正孔対にアバランシェ降伏を乗算できます。この結果はフォトダイオードの内部ゲインであり、デバイスの応答がゆっくりと増加します。

フォトダイオードが逆バイアスで動作するのはなぜですか？

フォトダイオードは光伝導モードで動作します。ダイオードが逆バイアスで接続されている場合、空乏層の幅を広げることができます。したがって、これにより、接合部の静電容量と応答時間が減少します。実際、このバイアスにより、ダイオードの応答時間が速くなります。したがって、光電流と照度の関係は線形に比例します。

フォトダイオードとフォトトランジスタのどちらが良いですか？

フォトダイオードとフォトトランジスタの両方が、光のエネルギーを電気に変換するために使用されます。ただし、フォトトランジスタは、トランジスタを利用しているため、フォトダイオードとは対照的に応答性が高くなります。

トランジスタは、光吸収によって生じるベース電流を変化させるため、トランジスタのコレクタ端子全体で巨大な出力電流を得ることができます。フォトダイオードの時間応答は、フォトトランジスタと比較して非常に高速です。そのため、回路の変動が発生する場合に適用できます。よりわかりやすくするために、ここではフォトダイオードとフォトレジスタのいくつかのポイントをリストしました。

フォトダイオード	フォトトランジスタ
エネルギーを光から電流に変換する半導体デバイスは、フォトダイオードとして知られています。	フォトトランジスタは、トランジスタを使用して光のエネルギーを電流に変換するために使用されます。
電流と電圧の両方を生成します	それは電流を生成します
応答時間は速度です	応答時間が遅い
フォトトランジスタに比べて応答性が低い	応答性が高く、巨大なo / p電流を生成します。
このダイオードは両方のバイアス条件で動作します	このダイオードは順方向バイアスでのみ機能します。
露出計や太陽光発電所などで使われています	光を検出するために使用されます

フォトダイオード回路

フォトダイオードの回路図を以下に示します。この回路は、10kの抵抗とフォトダイオードで構築できます。フォトダイオードが光に気付くと、フォトダイオード全体に電流が流れます。このダイオードを介して供給される電流の合計は、ダイオードを介して認識される光の合計に正比例する可能性があります。

回路図

外部回路にフォトダイオードを接続する

どのアプリケーションでも、フォトダイオードは逆バイアスモードで動作します。回路のアノード端子はグランドに接続できますが、カソード端子は電源に接続できます。光で照らされると、電流は陰極端子から陽極端子に流れます。

“サーボモーターはどのように機能しますか ”

フォトダイオードが外部回路で使用されると、それらは回路内の電源に関連付けられます。そのため、フォトダイオードから発生する電流は非常に少なく、電子機器を作るにはこの値では不十分です。

それらが外部電源に接続されると、回路に向けてより多くの電流が供給されます。この回路では、バッテリーを電源として使用して電流値を増加させ、外部デバイスのパフォーマンスを向上させます。

フォトダイオードの効率

フォトダイオードの量子効率は、光電流に寄与する吸収された光子の分割として定義できます。これらのダイオードの場合、アバランシェの影響を受けずに応答性「S」に公然と関連付けられているため、光電流は次のように表すことができます。

I = S P =ηe/ hv。 P

どこ、

「η」は量子効率です

「e」は電子の電荷です

「hν」は光子のエネルギーです

フォトダイオードの量子効率は非常に高いです。場合によっては、95％を超えることもありますが、波長によって大きく変化します。高い量子効率には、反射防止コーティングのような高い内部効率とは別に、反射の制御が必要です。

責任

フォトダイオードの応答性は、生成される光電流の比率であり、吸収される光パワーは、応答の線形セクション内で決定できます。フォトダイオードでは、通常、光子エネルギーがバンドギャップエネルギーよりもかなり高い波長領域で最大になり、吸収が減少するバンドギャップ領域内で減少します。

フォトダイオードの計算は、次の式に基づいて行うことができます。

R =η（e / hv）

ここで、上記の式で、「hν」は光子のエネルギー、「η」は量子の効率、「e」は電気素量です。たとえば、フォトダイオードの量子効率は800 nmの波長で90％であるため、応答性は0.58 A / Wになります。

光電子増倍管とアバランシェフォトダイオードの場合、内部電流の増倍には追加の要素があるため、可能な値は1 A / Wを超えます。一般に、電流の乗算は量子効率に含まれていません。

PINフォトダイオードとPNフォトダイオード

PNとPINのようなフォトダイオードは両方とも多くのサプライヤーから入手できます。必要な性能と特性に基づいて回路を設計する際には、フォトダイオードの選択が非常に重要です。
PNフォトダイオードは逆バイアスでは機能しないため、ノイズのパフォーマンスを向上させるために、低照度のアプリケーションに適しています。

逆バイアスで動作するPINフォトダイオードは、ノイズ電流を導入してS / N比を低下させる可能性があります
ハイダイナミックレンジのアプリケーションでは、逆バイアスにより優れたパフォーマンスが得られます
高BWアプリケーションの場合、逆バイアスはPとNの領域間の静電容量のような優れた性能を提供し、充電容量の蓄積は小さいです。

“波長と周波数の違い ”

利点

ザ・ フォトダイオードの利点 以下のものが含まれます。

抵抗が少ない
迅速で高速な操作
長い寿命
最速の光検出器
スペクトル応答は良好です
高電圧を使用しません
周波数応答は良好です
頑丈で軽量
それは光に非常に敏感です
暗電流は粕です
高い量子効率
ノイズが少ない

短所

ザ・ フォトダイオードのデメリット 以下のものが含まれます。

温度安定性が悪い
電流内の変化は非常に小さいため、回路を駆動するには不十分な場合があります
アクティブエリアが小さい
通常のPN接合フォトダイオードには高い応答時間が含まれます
感度が低い
それは主に温度に応じて機能します
オフセット電圧を使用しています

フォトダイオードの応用

フォトダイオードの用途には、電荷結合デバイス、光伝導体、光電子増倍管などの光検出器の同様の用途が含まれます。
これらのダイオードは、次のような家電機器で使用されています。煙探知機、コンパクトディスクプレーヤー、およびVCRのテレビとリモコン。
時計付きラジオ、カメラの露出計、街灯などの他の消費者向けデバイスでは、フォトダイオードよりも光伝導体がより頻繁に使用されます。
フォトダイオードは、科学および産業における光の強度の正確な測定に頻繁に使用されます。一般に、それらは光伝導体よりも強化された、より線形な応答を持っています。
フォトダイオードは、多数の医療アプリケーションサンプルを分析するための機器、コンピューター断層撮影用の検出器のように、血液ガスモニターでも使用されます。
これらのダイオードは、通常のPN接合ダイオードよりもはるかに高速で複雑であるため、照明調整や光通信に頻繁に使用されます。

フォトダイオードのV-I特性

フォトダイオードは継続的に逆バイアスモードで動作します。フォトダイオードの特性は、光電流が印加される逆バイアス電圧にほとんど依存しないことを次の図に明確に示しています。輝度がゼロの場合、小さな暗電流を除いて、光電流はほぼゼロです。それはナノアンペアのオーダーです。光パワーが上昇すると、光電流も直線的に上昇します。最大光電流は、フォトダイオードの消費電力によって不完全です。

特徴

したがって、これはすべてについてですフォトダイオードの動作原理、特性、およびアプリケーション。フォトダイオードのようなオプトエレクトロニクスデバイスは、ほとんどすべての電子デバイスで使用されているさまざまなタイプで利用できます。これらのダイオードは、ネオン、レーザーLED、蛍光灯などのIR光源で使用されます。他の光検出ダイオードと比較して、これらのダイオードは高価ではありません。この概念をよりよく理解していただければ幸いです。さらに、この概念に関する、または実装するためのクエリ工学部の学生のための電気および電子プロジェクト。以下のコメントセクションにコメントして、貴重な提案をしてください。ここにあなたへの質問があります、 フォトダイオードの機能は何ですか ？

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