フォトダイオード用語集

受光面積

フォトダイオード内で、光子を電流に変換するPN接合またはNP接合を形成するよう拡散処理された領域。形状は任意で、大きさは1mm2 未満から1cm2.

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、光電効果を利用して光を電気に変換する受光半導体デバイスです。APDは、アバランシェ増倍によって初段の増幅機能を内蔵した受光素子です。高い逆バイアス電圧(シリコン系APDでは通常100~200V)を印加すると、衝突電離(アバランシェ効果)により内部で電流増倍効果(通常100倍と規定)が生じます。

帯域幅(周波数応答)

方形波の入力光信号に対し、フォトダイオードの出力電流を負荷抵抗またはアンプで出力電圧に変換したとき、その出力が低周波時の出力の-3dB(70%)まで低下する周波数。帯域幅(B)は、立ち上がり時間(tr)と次の式で関係づけられます:B = 0.35 / tr

降伏電圧

電圧の上昇に対してフォトダイオードの暗電流がわずかずつ増加する状態から、急激に増加する状態へと移行する逆バイアス電圧の値。一般に、10μAを超える暗電流が流れるのに必要な逆バイアス電圧として規定されます。この値を大きく超えて動作させると、フォトダイオードが損傷するおそれがあります。

損傷しきい値

フォトダイオードに不可逆的な損傷を与えうる入射光パワーの値。このレベルは飽和点より上にあります。

暗電流

逆バイアス電圧を印加した状態で、暗所(光がまったくない状態)においてフォトダイオードに流れる逆電流。暗電流は温度の上昇とともに増加します。リーク電流とも呼ばれます。

ダイナミックレンジ

フォトダイオードの受光感度が、規定の直線性(%で規定)の範囲内で直線性を保つ入射光強度(ワットで規定)の範囲(下記「直線性」参照)。ダイナミックレンジの値は、フォトダイオードの基板の抵抗率(抵抗率が高いほどダイナミックレンジは狭くなる)と逆バイアス電圧(バイアス電圧が高いほどダイナミックレンジは広くなる)によって変化します。

下降時間

入射光パワーが「オフ」になったとき、光を照射していたフォトダイオードの出力電流が、初期の「オン」レベルの90%から10%まで下がるのに要する時間。正確に測定するには、光源のオン・オフがフォトダイオードの応答よりも速い必要があります。

フィルター

特定の波長を透過または遮断する光学部品。ガラス、エポキシ、プラスチック、薄膜コーティングなどがあり、フォトダイオードの表面に直接施すか、その上方に配置します。

利得帯域幅積

GBP(利得帯域幅積)は、利得1のときのオペアンプの周波数帯域幅です。GBPは一定に保たれるため、利得(多くの回路では帰還抵抗に相当)が1から大きくなるにつれ、オペアンプの帯域幅は狭くなります。

入射光

受光素子の受光面に入射する光の量。ワット毎平方センチメートルで表されます(放射照度または光束とも呼ばれます)。

インジウムガリウムヒ素フォトダイオード

InP基板上に形成したInGaAsで構成されるフォトダイオード。極性はP on Nです。製造上の改良により、800nm~2600nmの波長に応答できます。

接合容量

フォトダイオードが電荷を蓄える能力の尺度。接合容量は、フォトダイオードの基板の抵抗率(抵抗率が高いほど容量は小さくなる)、逆バイアス電圧(バイアス電圧が高いほど容量は小さくなる)、受光面積の大きさ(受光面積が大きいほど容量は大きくなる)によって変化します。

直線性

さまざまな入射光パワーに対するフォトダイオードの受光感度が、直線からどれだけずれるかを示す尺度。ダイナミックレンジと同様、直線性の値はフォトダイオードの基板の抵抗率(抵抗率が高いほど直線性は低下する)と逆バイアス電圧(バイアス電圧が高いほど直線性は向上する)によって変化します。通常は、入射光パワーに対するフォトダイオードの応答をプロットし、直線からのずれを百分率で求めて示します。

メサ構造

メサ構造とは、半導体業界で用いられる製造プロセスの一つで、基板や材料をエッチングして上面が平らな凸状の領域を形成するものです。これらの柱状のデバイス構造は、基板から突き出た形になります。このプロセスは通常、寄生容量を抑え、スイッチング速度を高めるために行われます。

雑音等価電力(NEP)

フォトダイオードの雑音と等しい光電流を発生させるのに必要な光パワー(ワットで規定)。このときS/N比は1となります。NEPは、フォトダイオードの雑音電流と受光感度によって決まります。

光導電モード

逆バイアス電圧を印加してフォトダイオードを動作させるモード。逆バイアス電圧を印加すると、フォトダイオードの容量が小さくなり、立ち上がり・下降時間が速くなり、直線性の範囲が広がるほか、シリコン系デバイスでは950nmを超える波長で受光感度がわずかに向上します。一方で暗電流が発生し、雑音の要因となります。

フォトトランジスター

光の強さを検知し、受けた光の強さに応じてエミッタ・コレクタ間に流れる電流を変化させるデバイス。極性はPNPまたはNPNです。

光起電力モード

逆バイアス電圧を印加せずにフォトダイオードを動作させるモード。バイアス電圧を印加しない場合、フォトダイオードのシャント抵抗が雑音発生の主な要因となります。

光電流

入射光パワーに応じて、フォトダイオードのPN接合(受光部)内で生じる光起電力効果によって発生する電流。基本的には、吸収された光子が自由電荷キャリアを生成し、それがデバイス内で収集されます。

PINフォトダイオード

高濃度にドープされたp+領域とn+領域の間に、ドープされていない広い真性領域を挟んだ構造のフォトダイオード。逆バイアス電圧を印加して使用する(光導電モード)ことを前提に作られています。シリコン系デバイスについてオプトランスでは、抵抗率400Ω・cmを超えるN型シリコン上に形成したフォトダイオードをPINフォトダイオードとしています。

PNフォトダイオード

高濃度にドープされたp+領域とn+領域の間に、ドープされていない広い真性領域を持たないフォトダイオード。逆バイアス電圧を印加せずに使用する(光起電力モード)ことを前提に作られています。シリコン系デバイスについてオプトランスでは、抵抗率10~100Ω・cmのN型シリコン上に形成したフォトダイオードをPNフォトダイオードとしています(P on Nとも呼ばれます)。

プレーナ構造

プレーナ構造とは、半導体業界で用いられる製造プロセスの一つで、半導体ウエハ表面の酸化膜から始め、ドープ領域、酸化膜、メタライゼーションの「層」を重ねて半導体デバイスを製造するものです。このプロセスには、二酸化ケイ素(SiO2)による酸化、SiO2 のエッチング、熱拡散またはイオン注入という基本的な工程が含まれます。最終工程では、ウエハ全体をSiO2 層で酸化し、活性領域までコンタクトビアをエッチングして、メタライゼーションを堆積させます。

量子効率(QE)

入射した光子のうち、電子と正孔を生成してフォトダイオードに光電流を生じさせるものの割合。QEは波長によって異なり、一部の波長では逆バイアス電圧によってわずかに向上します。

抵抗率

半導体材料が電気の流れをどれだけ強く妨げるかを示す尺度。Ω・cmで表され、フォトダイオードの製造に用いるシリコン(またはその他の出発材料)ウエハに固有のキャリア濃度に比例します。

受光感度

フォトダイオードの出力電流(アンペア)と入射光パワー(ワット)の比。受光感度は量子効率と直接関係しており、量子効率と同様に波長によって異なり、一部の波長では逆バイアス電圧によってわずかに向上します(感度とも呼ばれます)。

上昇時間

入射光パワーが「オン」になったとき、光を照射したフォトダイオードの出力電流が、完全な「オン」レベルの10%から90%まで上がるのに要する時間。正確に測定するには、光源のオンがフォトダイオードの応答よりも速い必要があります。

飽和

入射光パワーを増やしても、フォトダイオードの出力電流がそれ以上増加しなくなる入射光パワーのレベル。フォトダイオード全体に対して入射光パワーが高すぎる場合や、照射された領域で変換しきれないほど入射光パワーが集中している場合に起こります。ダイナミックレンジの上限から飽和が始まるまでの入射光パワーの範囲は、非直線領域と呼ばれます。

ショット雑音

光電流と暗電流の両方の統計的なゆらぎに関係する雑音。光導電モードにおける主な雑音要因です。

シャント抵抗

シャント抵抗は、0V付近における電圧と電流の比です。0Vでは電流を測定できないため、+10mVと-10mVで暗電流を測定し、オームの法則を用いて抵抗値を算出します。