技術のキホン

3分でわかる技術の超キホン 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?

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1.フォトダイオードとは?

電子回路を構成する部品のうち、「フォトダイオード」は光センサー(光検出器)と呼ばれるものの一部です。

光半導体素子のPN接合部に光を照射すると電流や電圧が発生します。
広い意味でいうと、太陽電池もフォトダイオードの1種といえます。

様々な機器に組み込まれ、光の有無、強弱、色などの検知に多く利用されています。
例えば、CDプレイヤーの凹凸面で反射された赤外線レーザーの読み取り装置や、テレビリモコンの受信部分、煙検出器など、さまざまな場面で活躍しています。

ここでは、シリコンを用いたフォトダイオードについて基本的な部分をみていきましょう。
 

2.フォトダイオードの原理

まず、フォトダイオードの原理を見ていきましょう。
 
図1は、フォトダイオードの構造と原理を示す図です。
構造的には一般のダイオードと同様の構造で、P型半導体とN型半導体のPN接合で構成されています。
 

フォトダイオードの構造と原理
【図1 フォトダイオードの構造と原理のイメージ】

N型半導体には動きやすい電子が多いため一部がP型半導体に移動して正孔と結合し電荷を打ち消し合い、「空乏層」と呼ばれる領域ができます。

空乏層のN型半導体では電子がなくなるので+に、P型半導体では正孔がなくなるので-に帯電し、内部電界が発生します。
 
空乏層に光を照射すると電子と正孔が発生し、内部電界により電子はN型半導体側の電極へ、正孔はP型半導体側の電極へ移動し、起電力が発生します。これを「光起電力」といいます。また、この現象を「光起電力効果」といいます。

ここでN型半導体・P型半導体に電極を取り付けると、それぞれ負極・正極となって直流電流を外部に取り出すことができます。電流はカソードからアノードに向かって流れることになり、電流の大きさは、ほぼ光の強さと比例します。
 

3.フォトトランジスタとの違いは?

フォトダイオードと似た働きをするものに、「フォトトランジスタ」という部品があります。

フォトトランジスタは、フォトダイオードとトランジスタが一体化した構造になっており、フォトダイオードの出力電流(光電流)をトランジスタで増幅してから出力する素子です。
 
図2は、フォトトランジスタの回路記号と等価回路です。

フォトトランジスタの回路記号
【図2 フォトトランジスタの回路記号/等価回路】

等価回路は、トランジスタのコレクタ‐ベース間にフォトダイオードが接続された回路になっています。

フォトダイオードの出力電流(光電流)をトランジスタのベースに加え、その光電流にトランジスタの電流増幅率をかけた電流をコレクタ―エミッタ間に流すことができます。
 

3.フォトダイオードとフォトトランジスタの比較

フォトダイオード、フォトトランジスタの特徴の違いは、表1のようになります。
 

項目 フォトダイオード フォトトランジスタ
光電流量 少ない 多い
応答速度 速い 遅い
直線性 良い 悪い
温度変化に対する出力変化 小さい 大きい

【表1 フォトダイオードとフォトトランジスタの特徴】

表より、応答速度、直線性、温度変化に対する出力変化については、フォトダイオードのほうが優れていることがわかります。逆に、フォトトランジスタには、光によって発生する電流が大きいという特徴があります。それぞれの特徴に応じて、両者を使い分けることが重要です。
 

4.フォトダイオードの使い方

図3に、フォトダイオードを用いた簡単な回路を示します。
電源にフォトダイオードと抵抗を接続した回路の例です。

フォトダイオードの使い方
【図3 フォトダイオードを用いた回路の例】

フォトダイオードに光が入らない場合は、一般のダイオードと同じ働きをし、電源は逆接続なので電流は流れません。
フォトダイオードに光入力があると、カソードからアノードに向かって電流が流れます。
そして、抵抗に電流が流れ、抵抗の両端に電圧出力が発生します。また、そのタイミングは図3の右のようになります。つまり、この例は光が入力されると、電圧がオンになってスイッチが入る回路です。

この回路は、電流電圧変換回路として働いています。
実際には、フォトダイオードで発生した電流をFETで受けたり、他の電流電圧変換回路を使うなどで電圧に変換する場合が多いです。

以上のように、フォトダイオードは、光センサーとして様々な機器に使用されており、現在では無くてはならない部品になっています。

 

(日本アイアール株式会社 特許調査部 E・N)
 

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