電子部品：フォトダイオードとは何か？どのような材料が使用されるのか？

この記事で分かること

フォトダイオード

　日本の電子部品メーカーは、半導体製造分野では後れを取っているものの、コンデンサやセンサーなどの部品分野では、長年にわたり世界市場で強い競争力を保ち続けており、台湾企業による買収も報じられています。

　https://news.yahoo.co.jp/articles/7c65f370b3f25f662f603f1b6f59d590fba4cd46

日本の電子部品メーカーは、長年にわたって培ってきた高い技術力、品質へのこだわり、そして特定のニッチ分野での圧倒的な強みにより、世界市場でその地位を確固たるものにしています。

　今回はフォトダイオードに関する記事となります。

フォトダイオードとは何か

　フォトダイオード（Photodiode）とは、光のエネルギーを電気信号（電流または電圧）に変換する半導体素子であり、光を検出するためのセンサーとして広く用いられます。

　一般的なダイオードが電流を一方向に流す性質を持つ一方で、フォトダイオードは、そのPN接合部に光が当たると、その光の強さに応じて電流を発生させるという特徴があります。

発光の仕組み

1. PN接合の空乏層:フォトダイオードも、P型半導体とN型半導体を接合したPN接合で構成されています。PN接合部には「空乏層」と呼ばれる、キャリア（電子や正孔）がほとんど存在しない領域があります。この空乏層には、N型側がプラス、P型側がマイナスになるような「内部電界」が存在します。
2. 光（光子）の吸収:この空乏層に光（光子）が当たると、光子のエネルギーが半導体材料の原子に吸収されます。
3. 電子と正孔の生成:光のエネルギーを受け取った原子から、電子と正孔のペアが生成されます。
4. 電荷の分離と電流発生:生成された電子は内部電界によってN型側へ、正孔はP型側へ引き寄せられて移動します。これにより、外部回路に接続された電極間に電流が流れます。この光によって発生する電流を「光電流」と呼びます。
5. 光の強さと電流の比例関係:光が強いほど多くの電子と正孔が生成されるため、光電流も大きくなります。この「光の強さに応じて流れる電流の量が変化する」という特性を利用して、光の強度を測定したり、光信号を電気信号に変換したりします。

フォトダイオードの主な種類

フォトダイオードにはいくつかの種類があり、それぞれ特性が異なります。

• PNフォトダイオード: 最も基本的な構造で、シンプルな光量測定などに使われます。
• PINフォトダイオード: PN接合の間に意図的に「I型半導体（真性半導体）」を挟んだ構造で、応答速度が速く、光通信の受光素子などで広く使われます。
• アバランシェフォトダイオード（APD）: 微弱な光を検出するために、内部でアバランシェ増倍（電子雪崩）を利用して光電流を増幅する機能を持つものです。

主な用途

• 光通信: 光ファイバーで送られてきた光信号を電気信号に変換する受信部。
• 光センサー: 環境光センサー（スマートフォンの画面の明るさ自動調整）、自動ドアのセンサー、煙感知器、CD/DVD/Blu-rayプレーヤーの光ピックアップ。
• 医療機器: 血液中の酸素濃度測定、医療画像診断装置など。
• 計測器: 光の強度を正確に測定する分光光度計など。
• 太陽電池: 広い意味では、太陽電池も光エネルギーを電気エネルギーに変換するフォトダイオードの一種とみなせます。

　フォトダイオードは、光を電気に変えることで、光を感知・計測したり、光信号をデータとして利用したりするための、現代社会に不可欠なデバイスです。

フォトダイオードは、光が当たると、その光の強さに応じた電気信号（電流）を発生させる半導体素子です。PN接合に光が当たると電子と正孔が生成され、電流が流れる原理を利用します。光センサーや光通信の受光素子など、光を電気に変換する多様な用途で不可欠です。

フォトダイオードに使用される半導体材料は何か

　フォトダイオードに使用される半導体材料は、検出したい光の波長域や必要な性能（感度、応答速度、ノイズ特性など）によって使い分けられます。主な材料は以下の通りです。

シリコン (Si)

• 最も一般的なフォトダイオード材料です。
• 紫外線、可視光、近赤外線（約190nm～1100nm）の広い波長域に感度を持ちます。
• 低ノイズ、高感度、比較的低コストで製造できるため、多くの汎用的な光センサーや、太陽電池などにも広く利用されています。

ゲルマニウム (Ge)

• シリコンよりも長波長の赤外線（約400nm～1700nm）に感度があります。
• シリコンに比べてノイズレベルが高い傾向がありますが、より長い波長の赤外線を検出したい場合に用いられます。

インジウム・ガリウム・ヒ素 (InGaAs)

• 近赤外線から中赤外線（約800nm～2600nm）の波長域に非常に高い感度を持ちます。
• 高速応答が可能で、光ファイバー通信システム（特に長距離・高速通信）の受光素子として広く利用されています。

その他

• 硫化鉛 (PbS): さらに長い波長の赤外線検出に用いられることがあります。
• 水銀カドミウムテルル (HgCdTe): 中赤外線から遠赤外線領域の検出に用いられることがありますが、冷却が必要な場合が多いです。
• 酸化物半導体: 紫外線領域に特化したフォトダイオードの研究・開発に用いられることがあります。

　これらの材料は、それぞれ異なるバンドギャップエネルギーを持つため、吸収できる光のエネルギー（＝波長）が異なり、結果として感度を持つ波長域が決定されます。これにより、特定の光を効率的に検出するフォトダイオードが製造されています。

フォトダイオードには、検出したい光の波長に応じて様々な半導体材料が使われます。シリコン（Si）は可視光から近赤外線に広く対応し最も汎用性が高く、ゲルマニウム（Ge）やインジウム・ガリウム・ヒ素（InGaAs）はより長波長の赤外線検出に用いられます。