【技術】Siフォトダイオード

概要

Siフォトダイオード（Silicon Photodiode）は、入射する光（主に可視〜近赤外の波長域）を電流信号に変換する半導体素子です。光電変換を行うデバイスであり、レーザー計測や光通信、医療機器など幅広い分野で使われています。

Siフォトダイオードは特に波長400〜1100 nmの範囲で高感度を持ち、シンプルな構造・高速応答・高信頼性という点で優れています。レーザー応用では、ビーム位置検出、強度測定、タイミング測定などに活用されています。

特徴

Siフォトダイオードの特徴は以下の通りです：

• 高感度：可視〜近赤外光に対する高い量子効率
• 高速応答：ナノ秒〜ピコ秒オーダーの高速な応答速度
• コンパクトで安価：小型で製造コストも低い

一方で短所も存在します。たとえば、波長が1100 nmを超える赤外線では感度が急激に低下します。また、暗電流（光がない状態での漏れ電流）や雑音電流が問題となる場合もあります。他の方式（例えばInGaAsやAPD）と比較して、検出可能な波長や利得性能に限界があります。

原理

Siフォトダイオードの動作原理は、半導体の光電効果とpn接合に基づいています。以下では、数式とともに段階的に詳しく解説します。

1. 光電効果による電子-正孔対の生成

シリコンはバンドギャップ \(E_g \approx 1.12\ \text{eV}\) を持つ半導体であり、入射光子のエネルギー \(E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}\) がこれを上回ると、価電子帯から伝導帯への遷移が起こり、電子-正孔対が生成されます：

$$ E_{\text{photon}} = \frac{hc}{\lambda} \geq E_g $$

ここで、\(h\) はプランク定数、\(c\) は光速、\(\lambda\) は波長です。例えば \(\lambda = 800\ \text{nm}\) の光では \(E_{\text{photon}} \approx 1.55\ \text{eV} > E_g\)、よって吸収されます。

2. 電子-正孔対の分離と電流生成

フォトダイオードは通常逆バイアスで動作させ、pn接合付近の空乏層（depletion region）に生成されたキャリアは内蔵電場により引き離され、電流として外部に出力されます。

光電流 \(I_{\text{ph}}\) は、入射光パワー \(P\)、量子効率 \(\eta\)、電荷 \(q\) により次のように表されます：

$$ I_{\text{ph}} = \eta \cdot \frac{qP}{h\nu} = \eta \cdot \frac{qP\lambda}{hc} $$

ここで、\(\eta\) は波長依存の値であり、通常400〜900 nmで0.8〜0.95程度の高い効率を示します。

3. 応答時間と帯域幅

応答速度は空乏層の厚み \(d\)、キャリア移動度 \(\mu\)、電場 \(E\) に依存します。応答時間 \(\tau\) は以下で近似されます：

$$ \tau \approx \frac{d}{\mu E} $$

一般に高速化のためには、空乏層を薄くし、電場を高める設計が採られます。対応する周波数帯域は \(f_c \approx \frac{1}{2\pi\tau}\) により決まり、最大でGHzオーダーの応答も可能です。

4. 雑音特性と感度限界

フォトダイオードの感度限界は雑音電流により決まります。主な雑音は熱雑音、ショットノイズ、1/fノイズなどです。例えばショットノイズ電流は以下の式で与えられます：

$$ i_n = \sqrt{2qI_{\text{ph}} \Delta f} $$

ここで、\(\Delta f\) は測定帯域幅です。感度向上のためには、雑音を低減し、信号対雑音比（SNR）を最大化する必要があります。

歴史

フォトダイオードの歴史は1960年代にさかのぼり、半導体のpn接合技術が進歩したことで、シリコンを用いた高効率な光検出素子が実用化されました。当初は通信・天文観測・研究用途で使われていましたが、その後小型化・低価格化が進み、一般向け光センサーにも広がりました。

レーザー技術の発展とともに、Siフォトダイオードも高速応答型や低ノイズ型へと進化を遂げ、現在ではAPD（アバランシェフォトダイオード）やPINフォトダイオードなどの派生形も多数登場しています。

応用例

Siフォトダイオードは以下のようなレーザーおよび産業応用で活躍しています：

• レーザー光強度モニタ：エネルギー変動をリアルタイム測定
• 位置センサ（PSD）やライン検出：ビーム位置・分布の測定
• 干渉計：干渉縞の強度変化を高速検出
• スペクトル測定：分光器と組み合わせて強度データ取得
• 安全シャッター制御：ビーム遮断検知

今後の展望

今後は、さらなる高速化・低雑音化が求められ、特にパルスレーザーや量子光検出への対応が進むと考えられます。また、ナノフォトニクスやMEMSと融合した集積型フォトダイオード、波長選択機能付きセンサー（多波長対応）など、新たな応用分野も広がっています。

さらに、赤外領域をカバーするための材料開発（例えばGeやInGaAsとのハイブリッド化）があります。

まとめ

Siフォトダイオードは、シンプルながら高性能な光検出素子として、レーザー応用の中心的役割を担っています。その原理を理解することで、光計測・通信・制御といった多くの分野において、より高度な応用設計が可能になります。

参考文献

• Saleh, B. E. A., and Teich, M. C., “Fundamentals of Photonics”, Wiley, 2019
• Hecht, E., “Optics”, Addison-Wesley, 5th ed., 2017
• 濱田宏一, 『光エレクトロニクス入門』, コロナ社, 2013年
• 浜田・安藤, 『光・レーザーセンサ技術』, 技術評論社, 2018年