さまざまなフォトダイオード技術の特徴

シリコンフォトダイオードと他の半導体材料で作られたフォトダイオードの違いについて学びます。

この記事では、いくつかの異なるタイプのフォトダイオードテクノロジーと、それらを作成するために使用される半導体、つまりシリコンの長所と短所について説明します。

これは、フォトダイオードのシリーズの第4部であり、感光性回路でのフォトダイオードの使用とそのアプリケーションについてさらに学ぶための準備をします。残りの部分を読みたい場合は、以下のリンクを確認してください。

• 基本について学びたい場合は、最初の記事から始めてください。この記事では、光の物理学と、pn接合を使用してダイオードを形成する方法について説明しています。
• 2番目の部分は、光に敏感なpn接合に焦点を当てています。
• 3番目のピースは、光伝導ダイオードと光起電ダイオードをカバーしています。
• 最後の部分では、フォトダイオードの等価回路について説明します。

シリコンフォトダイオード

シリコンは確かにエキゾチックな半導体材料ではありませんが、それは素晴らしいフォトダイオードになります。シリコンフォトダイオードは、多くの可視光アプリケーションに最適です。

これは、シリコンで覚えておくべき主な制限です。シリコンは、主に可視光の波長に敏感です。周囲光レベルに応答する調光器などの多くのシステムでは、これはまさにあなたが望むものです。 IRで強化されたシリコンフォトダイオードは、アプリケーションで重要な場合、近赤外線領域の波長に対する感度を高めます。

浜松ホトニクスのシリコンフォトダイオードハンドブックのこのプロットは、さまざまなシリコンフォトディテクタ製品のスペクトル応答を示しています。 QEは量子効率の略です。

シリコンフォトダイオードは、優れた汎用光検出器です。それらは信頼性が高く、広く利用可能であり、照度に対する電気的応答は非常に線形であり、優れた暗電流と帯域幅のパフォーマンスを備えています。実際、当社が販売している最低暗電流と最高速度のフォトダイオードはどちらもシリコンデバイスです。

赤外線検出器

アンチモン化インジウム（InSb）

フォトダイオードについて考えるとき、最初に頭に浮かぶのはInSbです。シリコンほど一般的ではありませんが、これまで取り組んできた最も重要な企業プロジェクトの1つが、一連のInSbフォトダイオードを中心に構築されていたため、エンジニアリングの意識に焼き付いていました。

InSbは、短波長および中波長の赤外線に敏感であり、可視光の代わりに熱特性を検出する必要があるアプリケーションに優れたパフォーマンスを提供します。ただし、InSbを最大限に活用するには、フォトダイオードを極低温に冷却するなど、追加の作業を行う必要があります。それらは、ダイオードを収容し、液体窒素を保持するデュワーと呼ばれるものを作ります。デュワーをLN2で満たすと、InSb検出器で最大感度が得られます。

インジウムガリウムヒ素（InGaAs）およびゲルマニウム（Ge）

InGaAsは、高速で高感度の赤外線検出器材料として広く使用されています。 InSbとは異なり、通常は室温で使用され、短波長では少し余分な応答性があります。InSbは約1 µmまで伸びますが、InGaAsの範囲は約0.7 µmまで下がります。

ゲルマニウムは、スペクトル応答に関してInGaAsに似ており、室温で動作します。 InGaAsは、大幅に高い信号対雑音比を実現できます。

テルル化カドミウム水銀（HgCdTe）

テルル化水銀カドミウムは、長波長IRアプリケーションの検出器として重要な役割を果たします。 InGaAsとInSbのスペクトル応答はそれぞれ2–3 µmと5–6 µmで減少しますが、HgCdTeは16 µmまで広がります。長波長IR（LWIR）は、パッシブ熱検出とイメージングに使用されます。

InSb検出器と同様に、HgCdTe検出器は極低温に冷却されます。これは大きな不便であり、多くのデバイスはLWIRイメージングに非冷却マイクロボロメータを使用しています。マイクロボロメータは、電磁放射の入射光子に応答するフォトダイオードとは対照的に、熱エネルギーに直接応答します。マイクロボロメータは、より安価で、より小さく、よりエネルギー効率が高いです。 HgCdTeはより高品質の画像を生成します。

紫外線検出器

シリコンは主に可視波長に敏感ですが、シリコンフォトダイオードはUV応答を高めるために最適化できます。これらのデバイスは、UV強化シリコンフォトダイオードと呼ばれます。これは、UV光を測定するための1つのアプローチです。

あなたはおそらく炭化ケイ素（SiC）に精通しているでしょう。これは、主にハイパワーMOSFETに関連する、ますます目立つ半導体材料ですが、SiCダイオードはUV検出器として優れていることがわかりました。

炭化ケイ素フォトダイオードは、200 nm〜400nm帯域のUV光にのみ自然に敏感な頑丈なデバイスです。

これは、Electro OpticalComponentsによって製造された炭化ケイ素フォトダイオードの正規化されたスペクトル応答です。

この制限されたスペクトル応答は、可視光または赤外光がUV測定に干渉するのを防ぐ必要があるシステムでSiCフォトダイオードが光学フィルタリングを必要としないことを意味します。 UV強化シリコンフォトダイオードはまさにそれであり、UV感度が強化されています。それらは可視光に対する感度を保持しており、実際、UVよりも可視光に対してはるかに敏感です。

入射光パワーと生成された光電流の間の数学的関係は、応答性と呼ばれます。 SiCのピーク応答性は、シリコンのピーク応答性に比べてかなり低いですが、シリコンのピーク応答性は、UV波長から遠く離れているため、UVアプリケーションには関係ありません。スペクトルの200〜400 nmの部分だけを見ると、SiCの応答性はシリコンの応答性と似ています。

要約

シリコンフォトダイオードは、可視スペクトルの照度を便利で高性能に測定します。赤外線検出の標準的な材料は、アンチモン化インジウム（InSb）、ヒ化インジウムガリウム（InGaAs）、ゲルマニウム（Ge）、テルル化水銀カドミウム（HgCdTe）です。 UVアプリケーションの場合、UV強化シリコンがオプションであり、信頼性の高い高温動作が必要な場合、または検出器が可視光と赤外光を無視する必要がある場合は、炭化ケイ素を検討する価値があります。

フォトダイオードの紹介シリーズの次の記事：フォトダイオードの等価回路を理解する