特性と使い方 1. 基本原理 このようにIX1, IX2の差または比を求めることにより、 (1-3), (1-4), (1-7), (1-8) 式のように光強度およびその変化に無関係に、 光の入 射位置を求めることができます。なお、 ここで求められる光の入射 位置は、 光量の重心位置に当たります。 PSDの基本構造は、 高抵抗半導体基板の片面、 または両面 に均一な抵抗層が形成され、 抵抗層の両端に信号取り出し用 の一対の電極が設けられたものです。受光面は抵抗層である と同時にPN接合をも形成しており、 光起電力効果により光電流 を生成します。 2. 1次元PSD 図1-1 PSDの断面構造図 図2-1 構造図, 等価回路 (1次元PSD) XB Rp アノード (X1) XA 出力 IX1 出力 IX2 P 入射光 電極 X1 電極 X2 P層 光電流 D Cj Rsh アノード (X2) カソード (共通) I層 P: D: Cj: Rsh: Rp: N層 共通電極 電流源 理想的ダイオード 接合容量 並列抵抗 ポジショニング抵抗 KPSDC0006JA 抵抗長 LX 図2-2 受光面図 (1次元PSD) LX KPSDC0005JA 図1-1はPSDの動作原理を示す断面構造図です。N型高抵 抗シリコン基板の表面に、 受光面と抵抗層を兼ねたP型抵抗層 を形成しており、 その両端に1対の出力電極が形成されています。 また裏面はN層であり、 共通電極が形成されています。基本的な 構造は、 表面のP型抵抗層を除けばPINフォトダイオードと同様の 構造をしています。 PSDにスポット光が入射すると、 入射位置には光量に比例し た電荷が発生します。 この電荷は光電流として抵抗層に到達し、 それぞれの電極までの距離に逆比例して分割され、 出力電極 X1, X2より取り出されます。 図1-1におけるスポット光の入射位置と出力電極 X1, X2の電 流の関係は以下のようになります。 X1 X2 x 受光面 KPSDC0010JA ●入射位置換算式 (図2-2参照) 2x IX2 - IX1 = ........ (2-1) LX IX1 + IX2 上式におけるIX1, IX2は図2-2に示される各電極からの出力を表 します。 3. 2次元PSD ●PSD中心を原点とした場合 LX LX - XA + XA 2 2 ......... (1-1) IX1 = IX2 = × Io × Io ...... (1-2) LX LX 2XA IX1 LX - 2XA IX2 - IX1 = .............. (1-4) = ............ (1-3) IX1 + IX2 LX IX2 LX + 2XA 3-1 両面分割型PSD ●PSD端を原点とした場合 IX1 = LX - XB . XB . Io ............. (1-5) IX2 = Io ................. (1-6) LX LX 2XB - LX IX2 - IX1 = ...... (1-7) IX1 + IX2 LX IX1 LX - XB = ................ (1-8) IX2 XB Io : 全光電流 (IX1 + IX2) IX1: 電極 X1の出力電流 IX2: 電極 X2の出力電流 LX : 抵抗長 (受光面の長さ) XA: PSDの電気的中心から入射位置までの距離 XB: PSDの出力電極 X1から入射位置までの距離 1 2次元PSDは構造により両面分割型と表面分割型に分けられ ます。さらに表面分割型には、 受光面、 電極に改良を加えた改 良表面分割型 (ピンクッション型)があります。それぞれの構造に よって入射位置換算式が異なります。なお、 2次元PSDの場合、 各出力電極をX1, X2, Y1, Y2とします。 両面分割型PSDは図1-1の断面図に示すN層も抵抗層とし、 両面の抵抗層の取り付け方向を直交させた図3-1に示す構造 をしています。表面の電極からX軸方向の位置信号が、 裏面の 電極からY方向の位置信号が出力されます。図3-1に示すように 両面で極性の異なる電流が分割されるため、 表面分割型に比 べ見かけ上、 2倍の信号が得られるため、 優れた分解能を実現 しています。 また電極相互が隣接していないため、 表面分割型 に比べて位置検出特性に優れています。入射位置換算式は、 (3-1), (3-2) 式のようになります。 特性と使い方 図3-1 構造図, 等価回路 (両面分割型) 図3-4 受光面図 (表面分割型) LX カソード (Y2) Rp アノード (X1) Y2 P D Cj Rsh アノード (X2) Rp カソード (Y1) y X2 LY X1 P: 電流源 D: 理想的ダイオード Cj: 接合容量 Rsh: 並列抵抗 Rp: ポジショニング抵抗 x KPSDC0007JA 受光面 Y1 図3-2 受光面図 (両面分割型) KPSDC0011JB LX ●入射位置換算式 (図3-4参照) Y2 2x IX2 - IX1 = ........ (3-3) LX IX1 + IX2 y LY X1 2y IY2 - IY1 = ........ (3-4) LY IY1 + IY2 X2 x 3-3 改良表面分割型 (ピンクッション型) PSD 受光面 Y1 KPSDC0011JA ●入射位置換算式 (図3-2参照) IX2 - IX1 2x = ........ (3-1) LX IX1 + IX2 改良表面分割型PSDは表面分割型の電極相互の干渉を抑 えるため、 受光面、 電極に改良を加えたものです。低暗電流、 高 速応答、 逆電圧の印加が容易などの表面分割型の特長に加え、 周辺部での歪みが大幅に改善されています。図3-6における位 置換算式は、両面分割型および表面分割型とは異なり、(3-5), (3-6) 式のようになります。 図3-5 構造図, 等価回路 (改良表面分割型) 2y IY2 - IY1 = ........ (3-2) LY IY1 + IY2 アノード (X1) アノード (Y2) Rp 3-2 表面分割型PSD アノード (X2) 表面分割型2次元PSDは、 PSDの片面の抵抗層に4つの電極 を付けたものです。光電流は同一抵抗層で4分割され位置信号 として出力されます。両面分割型に比べ周辺部で電極相互の 干渉が生じやすく、 歪みが大きくなる傾向がありますが、 逆電圧 の印加が容易な上、 低暗電流、 高速応答などの特徴をもってい ます。図3-4における入射位置換算式は、 (3-3), (3-4) 式のように なります。 アノード (Y1) カソード D P P: D: Cj: Rsh: Rp: Cj Rsh 電流源 理想的ダイオード 接合容量 並列抵抗 ポジショニング抵抗 KPSDC0009JA 図3-6 受光面図 (改良表面分割型) 図3-3 構造図, 等価回路 (表面分割型) LX Rp P アノード (Y1) Y2 アノード (Y2) アノード (X2) D Cj Rsh LY アノード (X1) X1 X2 y x カソード 受光面 * P: 電流源 D: 理想的ダイオード Cj: 接合容量 Rsh: 並列抵抗 Rp: ポジショニング抵抗 Y1 * 受光面は内接する四角形で規定しています。 KPSDC0012JA KPSDC0008JA ●入射位置換算式 (図3-6参照) 2x (IX2 + IY1) - (IX1 + IY2) = ........ (3-5) IX1 + IX2 + IY1 + IY2 LX 2y (IX2 + IY2) - (IX1 + IY1) = ........ (3-6) IX1 + IX2 + IY1 + IY2 LY 2 特性と使い方 PSDの最も重要な特性の一つが、 位置検出特性です。PSD は、 スポット光を入射したときの各出力電極から取り出される光 電流から、 入射位置を演算することができます。 ここで求められ る入射位置は光量の重心位置であり、 光束の大きさ、 形状、 光 量の影響を受けません。 しかし実際の入射位置と、 演算によって求められる位置 (演 算位置)の誤差はPSDによってバラツキがあります。ここではそ の誤差、 すなわち位置検出誤差に関して以下に述べます。 PSDにスポット光を入射し、各出力電極から取り出される光 電流値が等しくなるPSD上のスポット光入射位置を、 電気的中 心位置と呼びます。 この電気的中心位置を原点として、 スポット 光の入射位置と得られた光電流より演算された入射位置との 差を位置検出誤差としています。 図4-2に、 抵抗長3 mmの1次元PSD (S4583-04など)を測定し た際の、 光電流出力測定例とそのデータをもとに位置検出誤差 を求めた結果を示します。 図4-2 1次元PSDの光電流出力例 (S4583-04など) IX2 IX1 1.0 相対光電流出力 4. 位置検出誤差 0.5 0 0 -1.5 図4-1 PSD の断面図 スポット 光 X1 +1.5 PSD上の位置 (mm) X2 抵抗長 LX Xi 電気的中心位置 1次元PSDの位置検出誤差例 (S4583-04など) Xm +50 P型抵抗層 N層 入射位置 Xi 演算位置 Xm 共通電極 KPSDC0071JB 位置検出誤差の計算方法は次の通りです。図4-1において電 気的中心位置を基準 (原点)として、 スポット光の実際の入射位 置をXi、 各出力電極からの光電流 (IX1およびIX2)より演算された 位置をXmとします。 ここでXiとXmの差を位置検出誤差と定めま す。 位置検出誤差 (µm) I層 0 -50 -1.5 -1.0 -0.5 0 +0.5 +1.0 +1.5 PSD上の位置 (mm) KPSDB0005JA 位置検出誤差 E = Xi - Xm [µm] ........ (4-1) Xi : 実際の位置 (µm) Xm: 演算位置 (µm) Xm = IX2 - IX1 . LX ........ (4-2) IX1 + IX2 2 なお、 位置検出誤差の測定条件は以下の通りです。 ・光源 : l=890 nm ・スポット光サイズ: f200 µm ・全光電流値 : 10 µA ・逆電圧 : 所定の電圧 (データシート記載値) 位置検出誤差の規定範囲 PSDは受光面全域での位置検出が可能ですが、 図4-3のよう にスポット光の一部が受光面からはみ出した場合、 スポット光の 光量重心と、 受光面上の光量重心に、 ズレが生じて正確な位置 検出ができなくなります。 したがってスポット光に合わせてPSDを 選択する必要があります。 図4-3 スポット光の光量重心位置 スポット光 出力電極 X1 受光部 受光面内のスポット光の 光量重心位置 スポット光全体の 光量重心位置 出力電極 X2 KPSDC0073JA 3 特性と使い方 位置検出誤差の測定条件は入射するスポット光を通常は f200 µmとしており、図4-4∼4-6に示すような位置検出誤差の 規定範囲を設定しています。 図4-4 1次元PSD (抵抗長≦12 mm)の位置検出誤差 規定範囲 出力電極 X1 受光部 出力電極 X2 5. 位置分解能 位置分解能はPSDの受光面上で検出できるスポット光の最小 変位として定義し、 受光面上の距離で表します。 位置分解能はPSDの抵抗長と信号対雑音比によって決まりま す。(1-6)の位置演算式を例にとると、 以下の式が成り立ちます。 XB + Dx . Io ......... (5-1) LX IX2 + DI = Dx: 微小変位 DI: 出力電流の変化 規定範囲 LX × 0.75 抵抗長 LX KPSDC0074JA 図4-5 1次元PSD (抵抗長＞12 mm)の位置検出誤差 規定範囲 出力電極 X1 受光部 出力電極 X2 したがって、 Dxは以下の式で表されます。 DI Dx = LX . Io となり、 位置変化が無限小になったときを考えると、 出力電流 IX2に含まれる雑音成分が分解能を決定することがわかります。 一般にPSDの雑音電流をInとすると、 位置分解能DRは、 以下の 式で表されます。 In .......................... (5-3) Io DR = LX . 規定範囲 LX × 0.90 抵抗長 LX KPSDC0075JA 図4-6 2次元PSDの位置検出誤差規定範囲 ........................... (5-2) PSDを、 電流−電圧変換型オペアンプと結合して使用する場 合の、 基本的接続例を図5-1に示します。 また、 図5-2にその雑音 モデルを示します。 図5-1 1次元PSDと電流−電圧変換型オペアンプとの 基本接続例 ZONE A ZONE B Rf 受光部 Cf Rf PSD Cf - - + + A KPSDC0063JA A 周辺部は中心部に比べ、 位置検出誤差が大きいため、ZONE A, Bに区別して規定しています。 VR ・ZONE A: 受光部の一片の長さに対し40 %の直径の円内 ・ZONE B: 受光部の一片の長さに対し80 %の直径の円内 KPSDC0076EA 図5-2 雑音モデル Rf Cf PSD IO ID Rie Cj in en ∼ A Vo + KPSDC0077EA Io : 光電流 ID : 暗電流 Rie: 電極間抵抗 Cj : 接合容量 Rf : フィードバック抵抗 Cf : フィードバック容量 en : オペアンプの入力換算雑音電圧 in : オペアンプの入力換算雑音電流 Vo : 出力電圧 4 特性と使い方 電流−電圧変換回路のフィードバック抵抗 Rfは、 PSDの電極 間抵抗 Rieと比較して十分大きな値であるとして、 入力換算で雑 音電流を計算します。 この場合1/Rfは1/Rieと比べ十分小さいと みなせるため、無視できます。データシートではこの方法により PSDの分解能を計算しています。 1) 光電流および暗電流に起因するショット雑音電流 Is 2q . (Io + ID) . B [A] ............ (5-4) q : 電子の電荷 (1.60 × 10-19 C) Io: 信号光電流 (A) ID: 暗電流 (A) B : 帯域幅 (Hz) 2) 電極間抵抗で発生する熱雑音電流 (ジョンソン雑音電流) Ij （通常Rsh>>RieのためRshについては無視できます。) Ij = 4 kTB [A] ............ (5-5) Rie なおデータシートでは、 光電流 1 µA、 回路系入力雑音 1 µV (31.6 nV/Hz1/2)周波数帯域 1 kHzを規定条件として位置分解能を 計算しています。 k : ボルツマン定数 (1.38 × 10-23 J/K) T : 絶対温度 (K) Rie: 電極間抵抗 (W) 3) オペアンプの入力換算雑音電圧の雑音電流 Ien 10 B [A] ............ (5-6) en: オペアンプの入力換算雑音電圧 (V/Hz1/2) PSDの雑音電流は (5-4), (5-5), (5-6)式の和より実効値 (rms) として、 以下の式で表されます。 In = 図5-3 ショット雑音−信号光電流 (Typ. Ta=25 ˚C) en Ien = Rie Is2 + Ij2 + Ien2 [A] ............ (5-7) Rie RfがRieに対して無視できない場合は、( Rf ＞0.1 程度のとき) 出力換算雑音電圧で考える必要があります。 この場合 (5-4), (55), (5-6) 式は出力電圧換算すると以下のようになります。 ショット雑音電流 (pA/Hz1/2) Is = Rf>> Rieのときのショット雑音電流を、 信号光電流をパラメータ にして表したものが図5-3です。 また熱雑音および、 オペアンプの 入力換算雑音電圧による雑音電流を、 電極間抵抗をパラメータ にして表したものが図5-4です。10 kW程度の電極間抵抗のPSD では使用するオペアンプの選択が雑音電流を決める要因となる ため、 さらに低雑音電流のオペアンプを使用する必要があります。 また100 kWを越える電極間抵抗のPSDでは、 PSD自身の電極間 抵抗による熱雑音が支配的になります。 このように、 PSDは電極間抵抗と受光量により位置分解能が 決まります。 この点が他の分割型検出器と最も異なる点です。 PSDの位置分解能を向上させるには、 次のような手法が有効 です。 ・信号光電流 Io を増加させる。 ・電極間抵抗 Rie を高くする。 ・抵抗長 L を短くする。 ・適切な雑音特性のオペアンプを使用する。 1 0.1 0.01 0.01 0.1 1 10 信号光電流 (µA) Vs = Rf . 2q . (Io + ID) . B [V] ............ (5-8) Vj = Rf . 4 kTB [V] .............................. (5-9) Rie Vin = Rf . in . 4 kTB [V] ............................ (5-11) Rf 5 1 0.1 B [V] ............................ (5-12) そのため、 オペアンプの入力換算雑音電圧は実効値 (rms)で、 以下の式で表されます。 Vn = 電極間抵抗で発生する熱雑音電流 Ij オペアンプの入力換算雑音電圧による 雑音電流 (en=10 nV) オペアンプの入力換算雑音電圧による 雑音電流 (en=30 nV) B [V] .............. (5-10) さらにフィードバック抵抗の熱雑音とオペアンプの入力換算雑 音電流が加わり、 以下のようになります。 VRf = Rf . (Typ. Ta=25 ˚C) 10 雑音電流 (pA/Hz1/2) Ven = 1 + Rf . en . Rie KPSDB0083JB 図5-4 雑音電流−電極間抵抗 Vs2 + Vj2 + Ven2 + VRf2 + Vin2 [V] ............ (5-13) 0.01 10 100 1000 電極間抵抗 (kΩ) KPSDB0084JA 特性と使い方 PSDの応答速度は、 フォトダイオードと同様に生成したキャリ アをどれだけ速く外部回路へ電流として取り出し得るかを示す 値です。応答速度は、通常上昇時間 trで表します。PSDの受 光面上のスポット光の位置が高速で移動する場合や、 信号光 源をパルス点灯させて背景光を除去して使用する場合などに、 PSDの応答速度が問題となります。上昇時間は出力信号が10 %から90 %に達する時間で規定され、 主に以下の2つの要素 で決まります。 1) 電極間抵抗、 負荷抵抗、 端子間容量の時定数 t1 PSDの電極間抵抗 Rieは基本的には負荷抵抗 RLとして働 くため、 電極間抵抗 Rieと端子間容量 Ctによって表される時定 数 t1は次のようになります。 t1 = 2.2 . Ct . (Rie + RL) ......... (6-1) 図6-2は上昇時間と逆電圧、 入射光の波長の関係を示した例 です。逆電圧を大きく、 入射光の波長を短かくすることが上昇時 間を速くするのに有効であることがわかります。 また、 電極間抵抗 Rieの小さいPSDを選択することも有効です。 図6-2 上昇時間−逆電圧 (S4583-06) (Typ. Ta=25 ˚C) 10 8 上昇時間 (µs) 6. 応答速度 6 l=890 nm 4 2 PSDのRieは電極間に分布していますが、 データシートでは受 光面中心での応答速度を定義しているため、 おおよそ次のよう になります。 l=650 nm 0 0.1 1 10 100 逆電圧 (V) t1 = 0.5 . Ct . (Rie + RL) ......... (6-2) KPSDB0110JA 2) 空乏層外生成キャリアの拡散時間 t2 空乏層外生成キャリアは、 入射光がPSDの受光面から外れ たチップ周辺部や、 空乏層よりさらに深い基板内で吸収された 場合に発生します。 これらのキャリアは基板内を拡散し出力され ますが、 拡散するのに要する時間 t2は数µs以上になることがあり ます。 PSDの応答より短いパルスに対しては、 位置出力を積分する ことによって検出する手法もあります。 PSDの上昇時間 trは次式で近似され、 応答波形は図6-1のよ うになります。 tr ≒ t12 + t22 .................... (6-3) 図6-1 PSDの応答波形の例 光入力 出力波形 (t1>>t2) 出力波形 (t2>>t1) KPSDC0078JA 6 特性と使い方 図7-3 飽和光電流−電極間抵抗 (受光面全面照射時) 7. 飽和光電流 (Typ. Ta=25 ˚C) 1 mA VR = 5 V VR = 2 V 100 µA 飽和電流 PSDを屋外など背景光の多い場所で使用する場合や、 信号 光量が極めて大きい場合、 光電流によるPSDの飽和を考慮す る必要があります。図7-1は、PSDが飽和していない場合の出 力例です。受光面全域で直線性があり、PSDは正常に機能し ます。 過多の背景光や信号光量が極めて大きい場合、PSDは飽 和してしまいます。図7-2は、 PSDが飽和した場合の出力例です。 出力の直線性が失われ、 PSDは正常に機能しなくなります。 PSDの飽和現象は電極間抵抗と逆電圧に依存しており、 図 7-3にこれらの関係を示します。 この飽和光電流は受光面全域 に光を入射させたときの全光電流値で規定しています。微小 スポット入射時は部分的に電流が集中しますので、 この値よりも 低い値になります。 VR = 1 V 10 µA 1 µA 10 VR = 0 V 100 1000 電極間抵抗 (kΩ) PSDの飽和現象を避けるためには、 次のような手法が有効です。 ・光学フィルタで背景光をカットする。 ・受光面積の小さいPSDを使用する。 ・逆電圧を上げる。 ・電極間抵抗を下げる。 ・スポット光の集中を避ける。 図7-1 正常動作時の光電流出力例 (S5629) (Ta=25 ˚C) 120 IX1 + IX2 100 相対光電流 (%) IX1 IX2 80 60 電気的中心 40 20 0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 入射位置 (mm) KPSDB0087JA 図7-2 飽和時の光電流出力例 (S5629) (Ta=25 ˚C) 120 相対光電流 (%) 100 IX1 80 IX2 IX1 + IX2 60 40 電気的中心 20 0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 入射位置 (mm) KPSDB0086JB 7 KPSDB0003JA