技術のキホン

3分でわかる技術の超キホン 光検出器(受光器)の動作原理

Pocket

光検出器の原理を解説

光通信では、媒体として光ファイバを用いて信号を伝送させています。
光ファイバによって送られてきた光信号を元の電気信号に戻すのが「光検出器」(Photodetector)です。
受光器」と呼ばれることもあります。

本コラムでは、光検出器について説明します。

 

1.内部光電効果と光起電力効果

光検出器は、内部光電効果である光起電力効果を利用して、光信号を直接電気信号に変えています。

内部光電効果」とは、半導体に光を照射した際に、物質内部の伝導電子が増加する現象です。

また、「光起電力効果」とは、物質に光を照射することで起電力が発生する現象です。
光起電力効果は、主に半導体のpn接合(*)を利用しています。

(*) pn接合の解説は、別コラム「pn接合とは?P型/N型半導体の基礎知識と接合の原理」をご覧下さい。

 

2.光検出器の動作原理(pn型フォトダイオードの例)

フォトダイオード(PD:Photo Diode)がどのように光検出器として動作するのかを説明します。
具体例として、PN型フォトダイオードのイメージを示します。

pn型フォトダイオード
[図1(a) 電界の発生とドリフト電流]

図1(a)に示すように、まずpn接合付近では、N型半導体からP型半導体方向に電界が発生します。
このとき、キャリアの移動によりドリフト電流が流れます。
 

 フォトダイオードの原理
[図1(b) 起電力の発生]

 
また、図1(b)に示すように、エネルギーの段差が生じ、キャリアが存在しない空乏層ができます。

pn接合にバンドギャップEgよりも大きなエネルギーを持つ光を照射すると、空乏層である接合領域において、価電子帯の電子が光を吸収し励起されて伝導電子(光電子)となります。
その結果、価電子帯には正孔が残ります。すなわち、内部光電効果が起こります。

このとき、伝導電子の発生によりドリフト電流が増大します。空乏層には電界が発生しているので、伝導電子はN型半導体に、正孔はP型半導体に移動します。
その結果、起電力が発生します。すなわち、光起電力効果が起こります。

光を照射し続けると、次々に伝導電子が発生します。
逆方向バイアスをかけると、伝導電子は、外部回路を通じてP型半導体側へ戻り、正孔と結合します。

このように、PN型フォトダイオードは、空乏層に入射した光によって発生したキャリアを電界で分離することで、光信号を電気信号として検出しています。
 

フォトダイオードには、PN型フォトダイオード、PINフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードなどの種類がありますが、基本的な原理は同じです。

PN型フォトダイオードは、最も基本的な構造のフォトダイオードで、応答速度が遅いけれども暗電流が小さいという特徴があり、光量測定によく使われます。

ちなみに、フォトダイオードの原理は太陽電池の原理と同じです。
フォトダイオードをたくさん並べたのが太陽電池であるといえます。
 
(日本アイアール株式会社 N・S)


★関連コラム:「フォトダイオードの原理と使い方を解説!フォトトランジスタとの違いは?」はこちら


Pocket

技術セミナー開催スケジュール

製造業向けeラーニング_講座リスト

在宅勤務者用WEBセミナーサービス

資料ダウンロード

講師紹介

技術の超キホン

そうだったのか技術者用語

機械設計マスター

技術者べからず集

工場運営A to Z

生産技術のツボ

技術者のための法律講座

機械製図道場

公式Facebookページ

スぺシャルコンテンツ
Special Contents

導入・活用事例

テキスト/教材の制作・販売