フォトダイオードの動作原理

フォトダイオードは、光信号を電気信号に変換するキーデバイスとして、現代の電子技術において重要な役割を果たしています。通信、イメージングからセンサー技術に至るまで、フォトダイオードの応用はいたるところにあり、現代技術に革命的な進歩をもたらしています。
フォトダイオードの動作原理は主に光電効果と PN 接合原理に基づいています。光電効果とは、ある物質に光が照射されると、その物質内の電子が光子のエネルギーを吸収し、遷移が起こり、電子正孔対が形成される現象を指します。フォトダイオードでは、この光電効果は PN 接合領域で発生します。
PN 接合はフォトダイオードのコア構造であり、P- 型半導体と N- 型半導体で構成されます。 PN 接合では、P- 型半導体から N- 型半導体への正孔の拡散と、N- 型半導体から P- 型半導体への電子の拡散により、- 内部電場が形成されます。この内蔵電界の方向は N から P を指し、正孔と電子のさらなる拡散が妨げられ、PN 接合界面に非常に薄い空乏層が形成されます。
フォトダイオードの PN 接合に光が照射されると、光子が空乏層内の原子または分子に吸収され、電子が価電子帯から伝導帯に遷移し、電子正孔対が生成されます。内蔵電界の作用下で、- 電子は N 領域に向かって移動し、正孔は P 領域に向かって移動し、それによって PN 接合の両側に光誘起起電力が形成されます。この光誘起起電力の大きさは、入射光の強度に正比例します。
フォトダイオードの動作中、通常、フォトダイオードに逆バイアス電圧を印加する必要があります。これは、逆バイアス電圧が内蔵電場の効果をさらに強化し、光で発生する起電力をより顕著にするためです。-同時に、逆バイアス電圧は暗電流（つまり、光がないときに発生する微弱な電流）を抑制し、フォトダイオードの感度と信号対雑音比を向上させることもできます。--。