祝Queenの日!フレディ・マーキュリーの年代別ファッション&ヒットソングまとめ

フォトダイオードの構造は基本はpn接合です。別に暗電流を抑える意味で
pnp型(あるいはnpn)の埋め込み型フォトダイオードがあります。

同時に、このpnp構造(あるいはnpn)では空乏層の厚さがpn構造と比べて厚くなるので
光感度も向上すると思います。しかし、埋め込み型の光感度はpn型より
低い特性があるらしいのです。特に長波長側の光で。

素人感覚では空乏層が厚いほど感度も高いように思います。なぜ
埋め込み型の光感度はpn型より低くなるのでしょうか?

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A 回答 (5件)

>>フォトダイオード:p+np構造ですが、左のp+と右のpは基板電位に接続されており、


 Ah ha!
p+とpが基板電位に接続されている、すなわち同電位ならばこれはpn構造ですね。回路上はp+np構造→pp+n構造と等価になります。集積回路上でダイオードを作るためにトランジスタ構造を作って、それをダイオード接続にすることは普通に行われます。とても納得できる内容です。

>>nは信号読み出し部(増幅用MOSFETのゲートに接続)です。同時にこのnはリセット時には電源電位に導通されます。よって、このpnpはフォトトランジスタとは違った素子と思います。

 Ah ha!
nが別な素子に回路接続されているならば3端子になりますね。最もそのうちの2端子がすでに基板に接続されているということですからここでのフォトトランジスタとしての動作目的はないのでしょう。
 でもMOSのゲートに繋がっていることを考えるとフォトMOSトランジスタ(!)ですかね。n層のポテンシャルによってMOSのゲートがON/OFFされるように仕組まれている。
>>電荷蓄積量は増え(電圧モード)、感度が高くなりそうです・・・。
だってそれがMOSのいいところ(願うところ)ですから

私も勉強になりました
ありがとうございました
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百歩譲ってp-n-p構造のフォトダイオードを作った場合、確かに中心半分を境にフォトダイオードモードの部分と太陽電池モードの部分ができます。

そして両p層の光吸収が同じ程度でキャリア発生した場合互いに逆方向に走行しますから、そこへ外部回路をつないで電流波形を見ると「打ち消しあう」ので対象とする「光」については感度が落ちます(私もそう思います)。でもそこで一考。そのデメリットを(素人のままに)そのまま受けるのではなく発展的に考える発想が出てくるとすばらしいでしょうね。 例えばn層のポテンシャルを変化させるようなことを考えたら。2端子素子を3端子素子へ・・・ま、フォトトランジスタですけど、その感度が落ちた分、ほかの機能が新たに付加できたりします。この道1年目とのこと。既存の概念にとらわれずに、新しいものをどんどん考えていってください。
 ところで、ここでちゃぶ台をひっくり返すようなことを言いますが、2端子のpnp構造の素子って本当にあります?「pnp構造を作るプロセスでフォトダイオードが作られる」とかいう記述を間違って読んでいませんか?
 シリコンのPINフォトダイオードはn+-π-p+構造またはp+-ν-N+構造が基本です。アバランシェフォトダイオードのリーチスルー型n+-p-π-p+構造だったりします。そのあたりの詳しい記述は先にご紹介の本の6章と7章に極めて詳細に記載されていますので、ぜひご参照ください。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。
私が今触れているフォトダイオード:p+np構造ですが、左のp+と右のpは基板電位に接続されており、
nは信号読み出し部(増幅用MOSFETのゲートに接続)です。
同時にこのnはリセット時には電源電位に導通されます。よって、このpnpはフォトトランジスタとは違った素子と思います。
pinでもないです。挟まれているのものはn型であり、intrinsicではありません。

このpnpダイオードを電流モードで考えると感度が落ちそうでしたが、一方では、
はさまれたnには左右から生成電子キャリアが流れ込み、単なるpnと比べると
電荷蓄積量は増え(電圧モード)、感度が高くなりそうです・・・。

一体、自分でもどうなっているのか分からなくなっています・・・。
光通信素子工学、借りてきたので読んでみます。

補足日時:2008/07/24 18:53
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 感度(ここでは受光感度)を表す量子効率は構造的な要因に加えて、材料の吸収係数に大きく依存します。

 ですからご質問にはどの「波長域」の話をしているのかがないので「埋め込み型の光感度はpn型より低くなる」という「問い」には(2日間私も考えましたが)答えられないです。フォトダイオードの対象となる発光素子がレーザーなのか照明電球(LED・有機ELなども含む)なのか・・によっても「感度」の見方は変わってきます。 ということで、大変恐縮ですがもう少しご質問内容を整理して出されると(痒いところに手が届くという意味で)よろしいかと存じます。
 なおNo2の方も書かれていますが空乏層に対するご認識はこの場合、質問者の方が正しいです。 No1の方の空乏層に対するご認識はどちらかと申しますと受光素子の立場ではなく発光素子(順方向接続)の見方です。 このあたりの話は混乱しやすいのでよく切り分けて話をされるといいのではと存じます。
 米津宏雄著「光通信素子工学」(工学図書)という本があります。学生時代からバイブルとして肌身離さず・・・という本です。絶版にはなっていないと思いますが、書店になければ図書館でも探されるとよいでしょう。 ご参考まで。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。返事遅れて申し訳ございません。
私が考えている波長帯域は近赤外領域(780nm~1100nm)です。
その光源はLED(FWHM:Δλ=20nm)です。また、フォトダイオードの材料はシリコンです。
この波長帯域に対する吸収長(=吸収係数の逆数)は数十ミクロン~100ミクロンのようです。

私(素人です。この道1年です・・・)の考えとしては、p-n-p構造のバンド構造は大雑把に言うと、
(n領域に極小を持つ)下に凸となっています。
p-n-pの左側p-nで光を吸収することで発生する電流と
右側n-pで光を吸収することで発生する電流は互いに向きが逆と思います。
すると、電流が打ち消しあうことになり、光感度が落ちると考えています。
しかし、p-n-p構造ではn-p構造と比べてSi-SiO2界面に流れる暗電流が少ない分が大きく効くのでp-n-p構造が使われる・・・

まだ紹介いただいた米津宏雄著「光通信素子工学」(工学図書)は読んでいないので勉強不足な面があります。
上記の私の認識は怪しすぎるので何ともいえません。

補足日時:2008/07/22 10:36
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フォトダイオードでは、空乏層で光吸収によって発生した電子正孔対が空乏層内の電界によって掃引され、光電流になります。

従って、空乏層の幅が広いほど効率が高くなるという、質問者の認識は正しいです。

ただ、埋め込み(プレーナー構造のことでしょうか)でもメサ構造でもpnpにすることはありません。このような構造は、フォトトランジスタとなり、一般のフォトダイオードではこのような層構造は使いません。おそらく、pin構造(不純物濃度の高いp層とn層の間に不純物濃度の低いi層を挟んだ構造)と勘違いしているのではないでしょうか。この場合、空乏層はi層の厚さになります。(つまり、空乏層はi層全体にわたってリーチスルーしている。)効率はi層の厚さによって決まりますが、あえてこれを薄くすることがあります。これは、フォトダイオードの応答速度が空乏層のキャリアの走行時間によってきまるため、効率を若干犠牲にして応答速度を早くすることを目的にしています。具体的には3dB帯域が10GHzを超えるようなフォトダイオードがこれにあたります。
また、ご質問の本旨ではないかもしれませんが、「埋め込み型」とはpn接合の周囲を半導体で囲むのは、アバランシェフォトダイオードのように高電界を用いる素子で、接合周辺でのブレークダウンを防止するためのガードリングを作るために用いられます。一般のフォトダイオードではメサ型が一般的です。
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根本的に空乏層の解釈が間違ってます。


空乏層とは障壁であり、言ってみればキャリアに対する障害物です。
ですから空乏層が広くなれば(厚くなれば)キャリアがそれを越えるのに大きなエネルギーが必要となります。

MKSAさんは電気系、応用物理系の大学生の方でしょうか?
空乏層の根本的な理解のために、まずフォトダイオードに入る前に半導体工学や物性工学の帯理論を学んだ方がいいかもしれません。

またここで述べたキャリアが何なのか分からないようであれば、不純物半導体(p形、n形)から入りpn接合を調べてみてください。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。
空乏層とは障壁ですか・・・。私の解釈では、空乏層には電界があり、
この空乏層に光が吸収されて発生するキャリアはその電界に引かれて
信号電流が流れる。従って、信号電流の発生場所でもある空乏層が広ければ
光が吸収される確率が増え、フォトダイオードとしての光感度が高くなる。

と思っています。逆バイアスを印加すれば空乏層が広がり、感度も高くなる。同じ感覚で、
npnあるいはpnp型はpnよりも空乏層が広くなるので感度が良くなる・・・。

確かに、空乏層の周囲の中性領域から空乏層を見ると障壁に見え、
その山を越えるのは難しいとも考えられます。

空乏層の厚さは光検出にどのように関係するのか、やっぱりよく分かりません。

補足日時:2008/07/17 18:48
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チャージポンピング法についてもお勧めの参考書などがありましたら教えて下さい。

宜しくお願いします。

Aベストアンサー

MOSも結局は同じことなので、もう少し基本的なことを触れたURLを紹介します。
http://staff.aist.go.jp/shiro-hara/schottkytop.html

MOSの場合には、このショットキー障壁が薄い酸化金属膜によって構成されるものと読み替えてみてください。

とりあえず、上のホームページがあるサイトに参考論文や技術文献があるので、その辺りから学んでみるのも良いと思います。

http://keithleypromotion.com/japan/PulseIV/2596_Test_Sequencing_WP.pdf
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------

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_

Aベストアンサー

NAの定義は、
NA = n * sinθ
です。(nは光路の屈折率)
いまレンズがあって、その先に焦点があるとします。
レンズを通った光が焦点に結ぶことを考えますと、レンズのどの位置の光も焦点一つに集まります。
ここで、レンズの両端から出た光が焦点に集まるとき、円錐状に光が集まる図を書くことが出来ますよね。
(イメージできます?円錐の頂点が丁度焦点です)
このときの、円錐を横から見た時の頂角が2θになります。
つまり、θは0より大きく、90度よりは小さくないといけません。
従って、NAも普通は0<NA<1の間の数値となります。
簡単には、焦点距離がfで、レンズの半径がrとすると、tanθ=r/fですから、これからθを求めてsinθを求めれば良いわけです。

さて、この数値は色んな目的に使われます。
一つは明るさです。一つの点から出た光は通常四方八方に進みますが、NAが大きいと取り込む角度が大きいので明るくなります。
もう一つは焦点深度です。NAが大きいと焦点から像がずれたときに、大きくぼけます。
最後に、解像度です。これの説明はちょっとやっかいですが、基本的に光は絶えず広がろうとする性質(回折)があると思って下さい。
そのため、もし非常に小さく絞り込もうとすると大きな角度θで絞り込まないと、光の広がろうとする性質がレンズに打ち勝ってしまって、絞り込め無くなります。

これまでの話で大体おわかりと思いますが、NAが小さい方は特別すごいことではありません。NAが大きい方はすごいことです。
用途によってすごさは変わってきますが、顕微鏡だと0.7位は特別ではないでしょう。0.8以上だと高解像度になってきます。
中には1.0とか、1を越える場合もあり、これはすごいことです。
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NAの定義は、
NA = n * sinθ
です。(nは光路の屈折率)
いまレンズがあって、その先に焦点があるとします。
レンズを通った光が焦点に結ぶことを考えますと、レンズのどの位置の光も焦点一つに集まります。
ここで、レンズの両端から出た光が焦点に集まるとき、円錐状に光が集まる図を書くことが出来ますよね。
(イメージできます?円錐の頂点が丁度焦点です)
このときの、円錐を横から見た時の頂角が2θになります。
つまり、θは0より大きく、90度よりは小さくないといけません。
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Qウエルの性質について

全くの理科の事がわからず質問させていただきます。
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Qエクセル、散布図でデータの一部のみの近似直線を書きたい

(1、5)、(2,8)、(3、16)、(4、25)、(5、37)というグラフをかきました。
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どうぞよい知恵をお貸し下さい。

Aベストアンサー

1系列の一部のデータ範囲を対象に近似曲線を引くことは出来ないように思えます。便宜的な方法として以下が考えられます。お試しください。

■グラフの一部に近似曲線を追加する

全てのデータ範囲を選択する
|グラフウィザード 2/4 「グラフの元データ」|系列タブ|
系列1
 すでに全てのデータ範囲が対象となっている
系列2
 |追加|
 「Xの値」のボタンを押して後半のX値のセル範囲を選択する
 「Yの値」のボタンを押して後半のY値のセル範囲を選択する
グラフが作成される
全てのデータ範囲(系列1)と後半のデータ範囲(系列2)は重なっている
系列2へ近似曲線を追加する
 グラフ上、後半のデータ範囲の1要素を右クリック
 |近似曲線の追加|
 パターン・種類・オプションを指定する

■検討事項

・凡例・マーカー
無指定で系列に「系列1」・「系列2」という名前が付きます。同じ名前にすることは出来るようですが、系列2のみを消すことは出来ないようです。系列名の色を白にして見えなくする、プロットエリアのマーカーも二系列を同色とする、など考えられます。

・近似線
私は近似曲線のオプションに詳しくありませんが、全てのデータ範囲に対する近似線を引いたとして、後半のデータ範囲に対する近似線と重ならない(同形ではない)と思います。

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Qダイオードの温度特性について

ダイオードは温度が高くなると、順方向電圧Vdが小さくなる特性を持ち、その傾きは-2mV/℃といわれています。

トランジスタ設計の本や関連HPを見るとダイオードの特性は下記の式になっていますが、
下記の値を入れて計算すると絶対温度Tが上昇するとVdも上昇する式になってしまいます。
どうしてでしょうか?

Vd = ((K*T)/q)*ln(Id/Is)
  = 1.785e-3*T

K:ボルツマン定数=1.38e-23[J/K]
q:電子の電荷:=1.602e-19[c]
Id:順方向電流=1e-3[A]
Is:飽和電流=1e-14[A]
T:絶対温度

Aベストアンサー

 
 
 以下、Vd,Id の d は省略します、 (q*V/(k*T)) などは (qV/kT) と略記します、 温度Tは300Kとします。


>> トランジスタ設計の本や関連HPを見るとダイオードの特性は下記の式になっていますが、
Vd = ((K*T)/q)*ln(Id/Is)
<<


 ここはぜひ、その式の元の形である
  I = Is・exp(qV/kT) …(1)
の式で覚えてください。半導体の理論は根底が exp(エネルギ/熱エネルギ) という関数から出発してるので、この形で慣れておけば 将来ともお得です。
 で、
Is 自体も exp(-Eg/kT) 的な電流です。 Egはシリコンのバンドギャップエネルギ、kTは温度Tの熱エネルギです。 Is の成分の詳細説明は専門書にゆずるとして、大局的には
  Is = A・exp(-Eg/kT) …(2)
と書けます。
係数 A は今は定数とします。(2)を(1)に入れると、
  I = A・exp(-Eg/kT)・exp(qV/kT) …(3)
両辺をAで割って 両辺を対数取って V=の形にすると、
  V = (1/q){ kT・ln(I/A)+Eg } …(4)
あなたが載せたVdの式より 少し詳しく求まりました。


 さて、
温度係数の定義は 『Tだけが変化する』 です。そのとき I は(何らかの手段で)一定に保たれてるとします。すると(4)式はT以外すべて定数となるので単純に微分できて、
  ∂V/∂T = (1/q)k・ln(I/A) …(5)
これが疑問への答です。これに(3)式を入れると、
  ∂V/∂T = (1/T){ V-Eg/q } …(6)
温度とバンドギャップと電子電荷だけの式になりました。Eg/q は次元が電圧で、バンドギャップ電圧と呼ばれたりします、その値はシリコンで約 1.11[V] です、この機会に暗記しましょう。(6)式を言葉で書くと

  温度係数=(順電圧-1.11 )÷温度 …(7)
  温度300k,順電圧 0.65V のとき、-1.5 mV/K ほど。
  温度300k,順電圧 0.51V のとき、-2 mV/K ほど。

変動は、電流が小さいほど(=順電圧が小さいほど)□□く、高温ほど□□いんですね。このように 使用温度、使用電流、品種、製造ロットによって変わるものなのだ、と覚えてください。



 余談;
詳しく言えば切りがないのですが、 Egそのものも温度Tの関数です。係数Aは回路シミュレータでは温度の3乗がよく使われます。SI単位系に慣れましょう。
それから、他人が書いた式を眺めてるだけでは自分の力が付きません、ぜひ式変形を自分の手で最後までやってみましょう。
 
 

 
 
 以下、Vd,Id の d は省略します、 (q*V/(k*T)) などは (qV/kT) と略記します、 温度Tは300Kとします。


>> トランジスタ設計の本や関連HPを見るとダイオードの特性は下記の式になっていますが、
Vd = ((K*T)/q)*ln(Id/Is)
<<


 ここはぜひ、その式の元の形である
  I = Is・exp(qV/kT) …(1)
の式で覚えてください。半導体の理論は根底が exp(エネルギ/熱エネルギ) という関数から出発してるので、この形で慣れておけば 将来ともお得です。
 で、
Is 自体も exp(-Eg/kT) 的な電流...続きを読む

Qフォトダイオードの原理を教えて下さい。

フォトダイオードの原理を教えて下さい。フォトダイオードは光が当たると順方向に抵抗が小さくなると考えていいのでしょうか。

例えばDC12V、40mA程度で動作する小型リレーとフォトダイオードを直列に接続しDC12Vを印加した状態でフォトダイオードに光を当てると、リレーは動作するでしょうか。
フォトダイオードの単純な使い方などがあれば教えて下さい。

Aベストアンサー

フォトダイオードの原理は下記サイトを参照ください。
>例えばDC12V、40mA程度で動作する小型リレーとフォトダイオードを直列に接続しDC12Vを印加した状態でフォトダイオードに光を当てると、リレーは動作するでしょうか。
動作しません。
光量に反応するのですから、微弱な検出電流が発生するので、この電流を電圧などに変換増幅してリレーなどを駆動しなければ、直接の駆動はできません。
フォトダイオードの特性を発展したもので、太陽電池パネルがありますが、これならば何枚か接続すれば12Vの電圧を発生して小型リレーを駆動できます。

>フォトダイオードの単純な使い方などがあれば教えて下さい。
一番簡単なのは光量の変化を電流計で振らす照度計でしょうね。
CDS素子を使った照度計や露出計が既にありますが、
身近なところでは、TVのリモコンの受光部に使われて釦操作で遠隔操作が可能になっています。

フォトダイオード
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A9%E3%83%88%E3%83%80%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%BC%E3%83%89

フォトダイオードの原理は下記サイトを参照ください。
>例えばDC12V、40mA程度で動作する小型リレーとフォトダイオードを直列に接続しDC12Vを印加した状態でフォトダイオードに光を当てると、リレーは動作するでしょうか。
動作しません。
光量に反応するのですから、微弱な検出電流が発生するので、この電流を電圧などに変換増幅してリレーなどを駆動しなければ、直接の駆動はできません。
フォトダイオードの特性を発展したもので、太陽電池パネルがありますが、これならば何枚か接続すれば12Vの電圧を発生して...続きを読む

Qフォトダイオードの使い方

こんにちは。
既に同じような質問をしたのですが、先の質問で本来尋ねたかったことについて記述をできていなかったので、再度投稿させて頂きます。

規格で強度10mWとなっているレーザーダイオードの光強度を確認するために、浜松ホトニクスのS2281-04というフォトダイオードをSMファイバの直近に持って行って、発生した電流を4.7オームの負荷抵抗に流し、その負荷抵抗にかかっている電圧をロックインアンプ(NF回路の5610B)で測定しています。

測定した電圧と抵抗値から、オームの法則よりフォトダイオードからの電流値を計算し、受光感度より光強度を計算したところ、規格の10mWを大きく下回る5.9mWとなりました。

何故、このように測定値が小さくなってしまうのか。
測定の方法等が間違っているのでしょうが、原因がわかりません。

どうか、ご回答をよろしくお願いします。

Aベストアンサー

#1,2様と同じ意見ですが、
別の書き方をします。

フォトダイオード出力を測定するにあたり、「出力短絡電流は入射光量に比例する」および「出力開放電圧は入射光量の対数に比例す」という基本特性を頭に入れておかねばなりません。すなわち、負荷が短絡とも開放ともつかない半端なインピーダンスでは測定困難です。

通常は比例則の成立する出力短絡電流を測ります。この場合、負荷抵抗は充分に低くなければなりません。4.7Ωでは充分に低いとは言えないかもしれません。

従って、入力インピーダンスが充分に低い回路を使います。#2様の云われるI-V変換、即ち電流電圧変換回路を使います。OPアンプと抵抗一本があればできます。反転増幅回路の形式で、入力は抵抗なし、帰還抵抗に高抵抗を使うというやつです。もちろんOPアンプは入力バイアス電流の小さなFET入力タイプを使います。
この出力電圧を測ってください。今の結果とたいして変わらないことになるかも知れませんが、規格ぎりぎりぴったりで動作するデバイスも少ないし、測定系には自分でコントロールし切れていない誤差も多々ありますから(光伝達効率等等)、そんなものなのでしょう。

#1,2様と同じ意見ですが、
別の書き方をします。

フォトダイオード出力を測定するにあたり、「出力短絡電流は入射光量に比例する」および「出力開放電圧は入射光量の対数に比例す」という基本特性を頭に入れておかねばなりません。すなわち、負荷が短絡とも開放ともつかない半端なインピーダンスでは測定困難です。

通常は比例則の成立する出力短絡電流を測ります。この場合、負荷抵抗は充分に低くなければなりません。4.7Ωでは充分に低いとは言えないかもしれません。

従って、入力インピーダンスが充...続きを読む


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