フォトダイオード（フォトダイオード）の動作原理と出力電圧の計算
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フォトダイオード（フォトダイオード）は、一方向の導電性を持つPN接合で構成される半導体デバイスです。フォトダイオードは逆電圧の作用で動作し、一般的な照度の光の下で生成される電流は光電流と呼ばれます。負荷が外部回路に接続されている場合、負荷で電気信号が取得され、この電気信号は光の変化に応じて変化します。
出力電圧=入力光信号×応答×50Ω負荷
接合フォトダイオードは、通常の信号ダイオードと同様に機能する基本的なデバイスですが、接合半導体の空乏領域で光が吸収されると、光電流が発生します。フォトダイオードは、アプリケーションで高い量子効率を備えた高速で高直線性のデバイスであり、さまざまなアプリケーションに適しています。
入射光に基づいて、必要な出力電流レベルと応答性を決定する必要があります。図1は、基本的な独立したコンポーネントで構成される接合フォトダイオードモデルを示しています。これにより、フォトダイオードの主な特性を直感的に理解し、当社のフォトダイオードの動作プロセスをよりよく理解できます。
図1：フォトダイオードモデル
フォトダイオードの
応答性に関連する用語
フォトダイオードの応答性は、生成された光電流（IPD）と特定の波長での入射光パワー（P）の比率として定義できます。
動作モード（光伝導モードと光起電力モード）
フォトダイオードには、光伝導モード（逆バイアス）または光起電力モード（ゼロバイアス）の2つの動作モードがあります。動作モードの選択は、アプリケーションの速度と許容可能な暗電流（漏れ電流）によって異なります。
ライトガイドモードライトガイドモード
では、DETシリーズ検出器の基礎となるバイアス電圧が印加されます。回路で測定された電流は、デバイスが受信した光を表します。測定された出力電流は、入力光パワーに比例します。印加されるバイアス電圧は、空乏領域の幅を広げ、応答性を高め、接合容量を減らし、応答性はまっすぐになる傾向があります。これらの条件下で作業すると、より大きな暗電流が発生する傾向がありますが、フォトダイオードの材料を選択してサイズを制限することができます。（注：当社のDETデバイスは逆バイアスされており、順バイアスでは動作しません。）
太陽光モードで
太陽光モードで、フォトダイオードはバイアスゼロです。デバイスの電流の流れが制限され、電圧が形成されます。この動作モードは、太陽電池の基礎である光起電力効果を利用します。太陽光発電モードで作業する場合、暗電流は最小限に抑えられます。
暗電流
暗電流は、フォトダイオードにバイアスがかかっているときの漏れ電流です。ライトガイドモードで作業する場合、より高い暗電流が発生する傾向があり、温度に直接関係します。温度が10°C上昇するごとに、暗電流はほぼ2倍になり、温度が6°C上昇するごとに、シャント抵抗は2倍になります。明らかに、より大きなバイアス電圧を印加すると接合容量が減少しますが、電流の暗電流も増加します。
現在の暗電流は、フォトダイオード材料のサイズとアクティブ領域の影響も受けます。ゲルマニウムデバイスの暗電流は大きく、シリコンデバイスの暗電流は通常ゲルマニウムデバイスの暗電流よりも小さい。次の表は、いくつかのフォトダイオード材料とそれに関連する暗電流、速度、応答帯域、および価格を示しています。
材料暗電流速度スペクトル範囲コスト
シリコン（Si）低高速NIRに可視低
ゲルマニウム（Ge）高低速NIR低
ガリウムリン（GaP）低高速UVから可視中程度の
インジウムガリウムヒ素（InGaAs）低速高速NIR中程度の
インジウム砒素アンチモン（InAsSb）高速低速NIRからMIR高
拡張範囲インジウムガリウム砒素（InGaAs）高速高速NIR高
水銀にはテルル化カドミウム（MCT、 HgCdTeの）高速NIRからMIRへ
接合容量の高接合容量
（Cj of）光電ダイオードの重要な特性は、フォトダイオードの帯域幅と応答に大きな影響を与えます。接合面積が大きいダイオードは、接合体積も大きく、充電容量も大きいことに注意してください。逆バイアスアプリケーションでは、接合部の空乏領域の幅を大きくすると、接合部の静電容量が効果的に減少し、応答速度が向上します。
帯域幅と応答
フォトダイオードの負荷抵抗と静電容量が一緒になって帯域幅を制限します。最高の周波数応答を得るには、50Ωの終端には50Ωの同軸ケーブルが必要です。帯域幅（fBW）と立ち上がり時間応答（tr）は、接合容量（Cj）と負荷抵抗（Rload）で概算できます。
ノイズ等価電力
ノイズ等価電力（NEP）は、信号対ノイズ比が1に等しいときに生成されるRMS信号電圧です。NEPは弱い光を検出する検出器の能力を決定するため、これは非常に有用なパラメータです。一般的に言えば、NEPは検出器のアクティブエリアとともに増加し、次の式で表すことができます：
ここで、S / Nは信号対雑音比、Δfは雑音帯域幅、入射エネルギーの単位はW / cm2です。
端子抵抗
負荷抵抗を使用して、オシロスコープに表示するために光電流を電圧（VOUT）に変換します。
フォトダイオードの種類によっては、負荷抵抗が応答速度に影響します。最大帯域幅を実現するには、同軸ケーブルのもう一方の端に50オームの終端抵抗を使用することをお勧めします。ケーブルの固有インピーダンスに一致させると、共振が最小限に抑えられます。帯域幅が重要でない場合は、負荷抵抗（Rload）を増やして、特定の光パワーでの光起電力を増やすことができます。端子が合わない場合は、ケーブルの長さがレスポンスに大きく影響しますので、なるべく短くすることをお勧めします。
シャント抵抗
シャント抵抗は、ゼロバイアス下でのフォトダイオードの接合抵抗を表します。理想的なフォトダイオードのシャント抵抗は無限大ですが、実際の値は材料に応じて10オームから数ギガオームまで変化する可能性があります。たとえば、InGaAs検出器のシャント抵抗は10メガオームのオーダーですが、Ge検出器のシャント抵抗はキロオームのオーダーです。これは、フォトダイオードのノイズ電流に大きく影響します。ただし、ほとんどのアプリケーションでは、大きな抵抗はほとんど効果がないため、無視できます。
直列抵抗
直列抵抗は半導体材料の抵抗です。この小さな抵抗は通常無視できます。直列抵抗は、フォトダイオードの接点とワイヤ接続に由来し、通常、ゼロバイアス下でのダイオードの直線性を決定するために使用されます。
一般的な動作回路
エクスポートに失敗しました。再アップロードはキャンセルされました
図2：逆バイアス回路（DETシリーズ検出器）
DETシリーズ検出器は上記のモジュラー回路を備えています。検出器は逆バイアスされて、入力光に対して線形応答を生成します。光電流の大きさは入射光の大きさと波長に関係しており、出力の負荷抵抗をオシロスコープに表示することができます。RCフィルタ回路の機能は、入力電源の高周波ノイズを除去することです。これは、出力側のノイズに影響を与えます。
図3：増幅された検出器回路
光検出器と増幅器を使用して、必要な高ゲインを実現することもできます。ユーザーは、ライトガイドモードと光起電モードでの作業を選択できます。このアクティブ回路を使用することには、いくつかの利点があります。
光起電モード：オペアンプの点Aと点Bの電位が等しいため、フォトダイオードの両端の電位差はゼロボルトです。これにより、暗電流の可能性が最小限に抑えられます。
ライトガイドモード：ダイオードは逆バイアスされているため、帯域幅が増加し、接合容量が減少します。検出器のゲインは、フィードバック要素（Rf）に関連しています。検出器の帯域幅は、次の式で計算できます。
ここで、GBPは増幅器のゲイン帯域幅積であり、CDは接合容量と増幅器容量の合計です。
チョッピング周波数の影響
光伝導体信号は、時定数の応答限界まで変化しません。多くの検出器（PbS、PbSe、HgCdTe（MCT）、InAsSb検出器を含む）の典型的なノイズスペクトルは1 / fです（つまり、チョッピング周波数が高くなるとノイズが減少します）。これは低周波数での時定数に影響します。 。
検出器は、低いチョッピング周波数で低い応答性を示します。周波数応答と検出率は最大化されます
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