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解決済みのQ&A

pn接合のダイオードを用いた光センサーはなぜ逆バイアス(逆電圧)でないといけな...

dnahyouga1224さん

pn接合のダイオードを用いた光センサーはなぜ逆バイアス(逆電圧)でないといけないのですか?
動作原理も含めて教えていただけると幸いです。

  • 質問日時:
    2011/9/24 15:16:26
  • 解決日時:
    2011/9/25 12:24:53
  • 閲覧数:
    3,159
    回答数:
    1
  • お礼:
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ベストアンサーに選ばれた回答

okwave_inara1さん

逆バイアスをかける理由は
・入力光の強度が弱い場合から強い場合までの広い範囲に渡って、「出力電流∝光強度」の関係が保たれる(ダイナミックレンジが広くなる)
・応答速度が速くなる
だと思います。フォトダイオードで光強度を測定する方法は、浜松ホトニクスの資料(http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/pdf/tech/si_pd_techn...)の2ページ目の図2-2にあるように
(1) 出力端子を開放状態にして、出力端子の電圧を測定する方法(グラフ右側の Voc と書かれた結線)
(2) 出力端子を短絡したときの電流を測定する方法(グラフ右側の Isc と書かれた結線)
の他に、浜松ホトニクスの資料の5ページの図3-1(b)にあるように
(3) 逆バイアスをかけてフォトダイオードのカソードから外部に流れる電流を測定する方法
と、資料には書いてありませんが、他にも
(4) 順バイアスをかけて電流を測定する方法
というのも考えられます。

(4)の方法は、光がなくてもフォトダイオードに電流が流れてしまい、光強度が小さいときに区別がつけにくいという欠点があるので、まず使われることのない方法です。また、光がないときのフォトダイオードを流れる電流が温度によって大きく変わるという欠点もあります。

(1)の方法は、光が当たっていないときに出力電圧が0なのですが、光強度と出力電圧が比例関係にならないので、電圧から光強度に換算するのに指数変換が必要です。また、出力電圧は温度によって変化しやすく、応答も遅いという、(4)と共通の欠点があります。

(2)と(3)は印加する電圧が 0 か負かの違いだけで動作としてはほぼ同じです。(2)の方法では、光がないときの出力電流は 0 で、出力電流は光強度に比例しているので、資料3ページの図2-4のように、出力に抵抗をつけるとか、オペアンプを使って、電流を電圧に変換することで、簡単に光強度が測定できます。ただし、抵抗だけを使った場合(図2-4(a))、光強度が大きくで出力電流が大きい場合や、光が弱くても抵抗が大きすぎる場合、図2-5の高負荷直線のように、フォトダイオードに正の電圧がかかり、順方向電流が流れ始め、「光強度∝電流」の関係が崩れてきます。図2-4(b)のように、オペアンプを使った場合には、フォトダイオードのアノード電圧は常に0Vに保持されるので、フォトダイオードに順方向電流が流れ始めるようなことはありません。

(3)の逆バイアスをかける方法は、資料5ページの図3-1のような結線になります。この回路で電源電圧を 0V とすれば、(2)の回路と同じです。(3)の方法では、(2)の「抵抗だけを使った場合」の欠点を克服できます。なぜなら、もともと逆電圧をかけているので、大きな抵抗をつけたり、大きな光電流が流れても、簡単にはフォトダイオードが順バイアス状態にはならないからです。したがって、(2)よりは部品の選択の幅と、測定できる光強度の範囲(ダイナミックレンジ)が広くなります。ただし欠点もあります。逆バイアスをかけたときに、逆方向にわずかなリーク電流(飽和電流)が流れるので、光が当たってないときの電流は 0 ではありません。微弱な光の測定では、これによって測定可能な最低光強度が決まってしまいます。しかもこの電流は温度依存が大きいです。ただし、漏れ電流は一般に nA オーダなので、nW などという微弱光でない限り問題とならない場合が多いです。

また、(3)の方法では、常にダイオードに逆バイアスがかかった状態で動作させるので、応答速度が速くなります。(2)の方法は、フォトダイオードがほとんど 0 バイアス状態なので接合容量が大きく速い応答が難しくなります。資料の5ページの図3-2に、逆電圧と遮断周波数の関係が出ていますが、逆バイアス電圧が大きいほど遮断周波数が大きい(応答が速い)ことが分かります。フォトダイオードの中には、PINダイオードというのがりますが、これは単なるPN構造でなく、PとNの間にI層(絶縁層)をはさんで、接合容量をさらに小さくした高速応答のフォトダイオードです。

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  • 編集日時:2011/9/24 18:19:12
  • 回答日時:2011/9/24 16:52:09

質問した人からのお礼

  • ありがとうございます。
    とてもよくわかりました。
  • コメント日時:2011/9/25 12:24:53

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