第02章 Siフォトダイオード

Siフォトダイオード
第 章
2
1 Siフォトダイオード
章
1-1 動作原理
1-2 等価回路
1-3 電流ー電圧特性
1-4 直線性
1-5 分光感度特性
1-6 ノイズ特性
1-7 感度均一性
1-8 応答速度
1-9 オペアンプとの接続
1-10 応用回路例
2
フォトダイオード
S
i
2 PSD
（位置検出素子）
2-1
2-2
2-3
2-4
2-5
2-6
2-7
特長
構造、動作原理
位置検出誤差
位置分解能
応答速度
飽和光電流
使い方
3 応用例
3-1
3-2
3-3
3-4
3-5
3-6
3-7
3-8
粒度分布計（レーザ回折・散乱法）
バーコードリーダ
UVセンサ
ロータリーエンコーダ
カラーセンサ
VICS（道路交通情報通信システム）
三角測距
ダイレクト位置検出
23
Siフォトダイオード
フォトダイオードは、
光半導体素子のPN接合部に光を照射すると電流や電圧を発生する受光素子です。
広い意味では太陽
章
2
電池も含みますが、通常は光の強弱の変化を精密に検出するセンサを意味します。
当社のSiフォトダイオードには、機能・構造
で区別するとSiフォトダイオード (PN型)、
Si PINフォトダイオード、
Si APD (アバランシェ・フォトダイオード)、
MPPC (Multi-Pixel
Photon Counter)、
PSD (位置検出素子)があります。
Siフォトダイオードは次の特長があり、
光の有無・強弱・色などの検知に幅
フォトダイオード
S
i
広く使用されます。
入射光に対する優れた直線性
高い機械的強度
低ノイズ
小型、軽量
広い感度波長範囲
長寿命
当社独自の半導体プロセス技術を生かしたSiフォトダイオードは、近赤外から紫外・高エネルギーまでの波長域にわたり、高
速・高感度・低ノイズを特長としています。
当社のSiフォトダイオードは、
医療・分析・科学計測から光通信・民生機器まで幅広い
用途に用いられています。
メタル・セラミック・プラスチックから表面実装型まで多様なパッケージをそろえて、
カスタムデザインに
も幅広く対応しています。
浜松ホトニクスのSiフォトダイオード
タイプ
特長
Siフォトダイオード
高感度・低ノイズを特長とした精密測光用、一般測光／可視域用のフォト
ダイオードです。
紫外∼近赤外域用
可視∼近赤外域用
可視域用
RGBカラーセンサ
真空紫外(VUV)検出用
単一波長検出用
電子線検出器用
Si PINフォトダイオード
任意の逆電圧を印加することにより、優れた応答特性を実現する高速フォ
トダイオードです。光ファイバ通信や光ピックアップなどの用途に適してい
ます。
遮断周波数:10 MHz∼
赤外高感度
Si PINフォトダイオード
受光部の裏面に微細構造を形成し、900 nm以上の近赤外域の感度を向
上させたフォトダイオードです。当社従来品に比べ、
YAGレーザ（1.06 µm）
に対して約3倍の高感度化を実現しています。
YAGレーザモニタ用
多素子型Siフォトダイオード
1パッケージ内に、
複数の受光部を1次元・2次元に配列したフォトダイオー
ドです。光の位置検出や分光光度計などの幅広い用途に応用できます。
プリアンプ付Siフォトダイオード
電子冷却型Siフォトダイオード
プリアンプ付Siフォトダイオードは、1パッケージ内にフォトダイオードとプ
リアンプが内蔵されているため、外来ノイズに強く、
コンパクトな回路設計
が可能になります。電子冷却型は、S/Nが大幅に改善されています。
分析／計測用
放射線用Siフォトダイオード
Siフォトダイオードとシンチレータを組み合わせた製品です。X線手荷物
検査／非破壊検査装置用に適しています。
シンチレータ付き
大面積型
PSD
フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の位置センサです。
非分割型のため連続した電気信号が得られ、位置分解能・応答性に優れて
います。
1次元PSD
2次元PSD
注）Si APD、MPPCについては、
「3章 Si APD、MPPC」を参照してください。
24
製品例
分割型フォトダイオード
1次元フォトダイオード
アレイ
1. Siフォトダイオード
1.
Siフォトダイオード
1-2
等価回路
Siフォトダイオードの等価回路を図1-3に示します。
1-1
動作原理
[図1-3] Siフォトダイオードの等価回路
図1-1にSiフォトダイオードの断面構造の例を示します。
受光面側のP型領域 (P層)と基板側のN型領域 (N層)
は、
PN接合を形成し光電変換部として働きます。
Siフォトダ
イオードの場合、P層は通常ボロンの選択拡散で、1 µm以
下の厚さに形成されます。
P層とN層の接合部の真性領域
を空乏層といいます。表面のP層・N層および底面のN+層
章
2
の厚さや不純物濃度をコントロールすることで、後述する
分光感度特性や周波数特性を制御することができます。
S
i
フォトダイオード
Siフォトダイオードに光が照射され､その光エネルギー
がバンドギャップエネルギーより大きいと、価電子帯の電
子は伝導帯へ励起され、
もとの価電子帯に正孔を残しま
KPDC0004JA
す [図1-2]。
この電子−正孔対は、P層・空乏層・N層のい
たる所で生成し、
空乏層中では電界のため電子はN層へ、
この等価回路から出力電流 (Io)を求めると、
式 (1)のよ
正孔はP層へ加速されます。N層中で生じた電子−正孔対
うになります。
のうち、
電子はP層から流れてきた電子とともにN層伝導帯
に残り、正孔はN層中を空乏層まで拡散し、加速されてP
層価電子帯に集まります。
このように入射光量に比例して
発生する電子−正孔対は、
それぞれN層・P層中に蓄積さ
れ、
P層は正に、
N層は負に帯電します。
P層とN層から電極
,
,
q VD
Io = IL - ID - I = IL - IS (exp
- 1) - I ............ (1)
kT
I S:
q:
k:
T:
フォトダイオードの逆方向飽和電流
1電子当たりの電荷量
ボルツマン定数
素子の絶対温度
を取り出し外部回路を接続すれば、N層側からは電子が、
P層側から正孔がそれぞれ反対側の電極へ向かって流
開放端電圧 (Voc)は、
Io=0のときの出力電圧で、
式 (2)
れ、
電流が発生します。
このような電流のもとになる半導体
で表されます。
,
Voc = k T ln IL - I + 1 ............ (2)
Is
q
中の電子あるいは正孔は、
キャリアと呼ばれます。
(
)
[図1-1] Siフォトダイオードの断面構造の例
I が無視できる場合、Isは周囲温度に対し指数的に増
加するため、Vocは周囲温度に逆比例し、
I Lの対数に比例
することになります。
しかし微弱光を検出する場合は、
この
関係が崩れてきます。
短絡電流 (Isc)は、
RL=0、
Vo=0のときの出力電流で、
式
(3)で表されます。
(
Isc = IL - Is exp
)
q × Isc × Rs
- 1 - Isc × Rs ...... (3)
Rsh
kT
KPDC0002JA
式 (3)の第2項、第3項が、短絡電流の直線性の限界を
[図1-2] SiフォトダイオードのPN接合の状態
決定する原因となります。
ただしRsは数Ω程度、Rshは107
∼1011 Ωとなり、
第2項、
第3項は広い範囲において無視で
きることが分かります。
KPDC0003JA
25
1-3
(b) 開放端電圧
電流−電圧特性
暗中でSiフォトダイオードに電圧を加えると、
図1-4の①の
曲線のように整流用ダイオードと同様の電流−電圧特性が
得られます。光が照射されると①の曲線は②へ平行移動
し、
さらに光を強くすると③へと平行移動します。②または
③の場合に、
Siフォトダイオードの両端子を短絡しておくと、
光の強度に比例した短絡電流 Isc、
Isc がアノード側からカ
ソード側へ向かって流れます。
回路が開いている場合には、
アノード側を正とした開放端電圧 Voc、
Voc が発生します。
Vocは、
光量変化に対して対数的に変化しますが、
温度
章
2
による変化が大きく光量測定には不適当です。
IscとVocの
入射光量に対する関係は図1-5のようになります。
フォトダイオード
S
i
KPDB0002JB
[図1-4] 電流ー電圧特性
光電流を測定する基本回路を図1-6に示します。
(a)は、
Io × RLの電圧をゲイン Gの増幅器で増幅する方法です。
逆電圧を印加することで、
より高い直線性が確保されます
[図1-9 (a)、図1-10]。
また、(b)はオペアンプを接続する方
法です。
オペアンプのオープンループゲインをAとすると、
負帰還回路により、
負荷抵抗 R Lに相当する等価入力抵抗
Rf
は A と数桁小さくなり、理想的な短絡電流の測定が可能
になります。広範囲の光電流の測定をする必要のある場
合には、大きな光量に対しても出力が飽和しないようにR L
やRfを適切に選択する必要があります。
KPDC0005JA
[図1-6] 接続例
(a) 負荷抵抗を接続した場合
[図1-5] 入射光量と出力信号の関係 (S2386-5K)
(a) 短絡電流
(b) オペアンプを接続した場合
KPDC0006JA
KPDB0001JB
図1-4①の曲線の原点付近を拡大した図を図1-7に示
します。電圧が±10 mV程度の範囲では暗電流 (I D)がほ
ぼ直線的に変化します。
この直線の傾きにより並列抵抗
(Rsh)が表され、後述する熱雑音電流源になっています。
当社製Siフォトダイオードは、
カソードに10 mV印加時の暗
電流を用いて並列抵抗を求めています。
26
1. Siフォトダイオード
[図1-7] 暗電流−電圧 (図1-4①の原点付近を拡大)
す。
この場合、
フォトダイオードに対する負荷抵抗はオペア
ンプの入力抵抗であり不変の値です。
オペアンプの入力
抵抗は数Ωと低い値なのでフィードバック抵抗をいくら大き
な値にしてもオペアンプの出力が飽和しない範囲では光
電流は飽和しないため、(b)は微弱光の検出に適していま
す。
また、図1-10は逆電圧 (V R)による直線性上限の変化
を示します。逆電圧を加えることは、直線性の改善に役立
ちますが、一方では暗電流を増大させノイズの増加をもた
らします。
また、過大な逆電圧はフォトダイオードを破損す
るため、絶対最大定格内で使用し、必ずカソードがアノー
KPDB0004JA
ドに対して正の電位になるように極性を設定してください。
1-4
章
なお、
レーザ光を微小スポットに集光して入射したとき
2
は、単位面積当たりの入射光量が大きくなり、直線性が悪
直線性
くなりますので、
注意が必要です。
直線性をもち、入射光量 10-12∼10-2 W程度の範囲では、
フォトダイオード
Siフォトダイオードの光電流は入射光量に対して優れた
S
i
[図1-9] 接続例 (逆電圧を印加する場合)
(a)
9桁以上に及ぶ直線性をもっています (フォトダイオードの
種類や使用回路などで異なります)。
直線性の下限は雑音
等価電力 (NEP: Noise Equivalent Power) により決定さ
れ、上限は負荷抵抗、逆電圧などから式 (4)で求められ、
直列抵抗成分が大きいほど直線性は悪化します。
Psat =
Psat :
VBi :
VR :
RS :
RL :
Sλ :
VBi + VR
............ (4)
(RS + RL) × Sλ
(b)
直線性上限入射エネルギー [W] (Psat≦10 mW)
接触電圧 [V] (0.2∼0.3 V程度)
逆電圧 [V]
素子直列抵抗 (数Ω程度)
負荷抵抗 [Ω]
波長 λにおける受光感度 [A/W]
[図1-8] 電流−電圧特性と負荷直線
KPDC0008JC
[図1-10] 光電流−照度 (S1223)
KPDB0003JD
直線性の上限を高める目的で逆電圧を印加すると効
果的な場合があります。
図1-9は逆電圧を印加する場合の
接続例です。
（ａ）
は負荷抵抗で光電流を電流−電圧変換
KPDB0009JC
してアンプで増幅する例です。負荷抵抗が大きいと直線
性の上限が制限されるため [式（4）]、大きな負荷抵抗を
接続することができず微弱光の検出には適していません。
（b)はオペアンプ入力端子へ直接にフォトダイオードを接
続してフィードバック抵抗 (Rf)で電流−電圧変換する例で
27
1-5
QE = S × 1240 × 100 [%] ............ (6)
λ
分光感度特性
「1-1 動作原理」
で述べたように、
吸収された光のエネル
ギーがSiフォトダイオードのバンドギャップエネルギーより
大きくないと光起電力効果は起こりません。
S: 受光感度 [A/W]
λ: 波長 [nm]
赤外高感度Si PIN フォトダイオードは、
波長 900 nm∼
1100 nmの近赤外域で大幅な高感度化を実現したタイプ
カットオフ波長（λc)は、
式（5)で表されます。
です。
Siは可視域や紫外域において光吸収係数が大きいた
λc = 1240 [nm] ............ (5)
Eg
め、
薄いウエハでも十分検出できます。
しかし、
近赤外域で
は光吸収係数が極端に小さくなり透過する割合が増える
Eg: バンドギャップエネルギー [eV]
ため、
感度が低下します。
近赤外域においてSiで高感度を
章
2
フォトダイオード
S
i
Siの場合は、常温時のバンドギャップエネルギーは1.12
実現するには、厚いSiウエハを用いて光吸収層を厚くする
eVのため、
カットオフ波長は1100 nmです。
短波長側では、
方法がありますが、
この場合、高い印加電圧が必要、暗電
入射光が表面拡散層内で吸収される割合が急速に増大
流が大きくなる、応答速度が遅くなるなどのデメリットが発
するため [図1-1]、拡散層が薄くPN接合が表面に近いも
生します。
のほど感度が高くなります。短波長側のカットオフ波長は、
赤外高感度Si PINフォトダイオードは、
裏面に特殊な微
一般のSiフォトダイオードでは320 nm、
紫外域用のSiフォト
細加工を施すことにより、
近赤外域において高感度を実現
ダイオード (S1226/S1336シリーズなど)では190 nmです。
しています。
たとえば、
波長 1.06 µmで量子効率が25％のSi
カットオフ波長は、Siフォトダイオード固有の物性と受光
フォトダイオードに本技術を適用すると、
約3倍の量子効率
窓の波長透過率によって決まります。硼珪酸ガラスやコー
72％を実現することができます。従来では実現が難しかっ
ティング樹脂は、
約300 nmより短波長側では光を吸収して
た近赤外域で高速・高感度を併せもったフォトダイオード
しまうため、
これらを窓材として使用すると短波長の感度が
が可能になります。赤外高感度Si PINフォトダイオードは
なくなります。
YAGレーザ (1.06 µm)のモニタ用に利用されています。
300 nmよりも短い波長を検出する場合は、
石英窓のタイ
プを使用します。
また、
可視域だけの測光を行う場合は、
可
[図1-12] 分光感度特性 (赤外高感度Si PINフォトダイオード)
視域だけ透過する視感度補正フィルタのタイプを用います。
図1-11に各種Siフォトダイオードの分光感度特性を示し
ます。BQタイプは石英窓、BRタイプは樹脂コーティング窓
のタイプです。
なおS9219は、視感度補正フィルタ付Siフォ
トダイオードです。
[図1-11] 分光感度特性 (Siフォトダイオード)
KPINB0395JA
1-6
ノイズ特性
Siフォトダイオードの微弱光に対する検出限界は、一般
の受光素子と同様に、
そのノイズ特性で決まります。Siフォ
KSPDB0247JB
トダイオードのノイズ電流 inは、
並列抵抗 Rshで近似でき
る抵抗体の熱雑音電流 ij (またはジョンソン雑音電流)、
ある波長において、光電流として取り出される電子ある
暗電流に起因するショットノイズ電流 iSD、
光電流に起因す
いは正孔の数を入射フォトン (光子)数で割った値を量子
るショットノイズ電流 iSLの和で表すことができます。
効率 (QE)と呼びます。
量子効率は式 (6)で表されます。
in =
28
ij2 + iSD2 + iSL2 [A] ............ (7)
1. Siフォトダイオード
ijはRshの熱雑音と考えられるため、式 (8)のようになり
ます。
ij =
4k T B [A] ............ (8)
Rsh
感度均一性
感度均一性は、受光面内での感度の均一性を示す値
です。Siフォトダイオードは感度均一性が非常に優れてお
k: ボルツマン定数
T: 素子の絶対温度
B: 雑音帯域幅
り、可視∼近赤外域で有効受光面内 80%の範囲のバラ
ツキは2%以下です。感度均一性の測定は、数µmから数
図1-9のように逆電圧を印加する場合は、
必ず暗電流が
存在し、
iSDは式 (9)のようになります。
isD =
1-7
十µmに集光された光 (レーザダイオードなど)を用いて行
われます。
[図1-14] 感度均一性 (S1227-1010BQ)
2q ID B [A] ............ (9)
章
q : 1電子当たりの電荷量
ID: 暗電流
2
入射光による光電流 (IL)で発生するショットノイズ isLは
フォトダイオード
S
i
式 (10)のようになります。
isL =
2q IL B [A] ............ (10)
I L>>0.026/Rsh、
またはI L>>I Dの場合、式 (8)または式
(9)の代わりに式 (10)のショットノイズ電流 i SLが支配的に
なります。
これらのノイズの大きさは雑音帯域幅 (B)の平方根に
比例するため、
単位はBで正規化した A/Hz1/2です。
KPDB0006JB
一般にSiフォトダイオードの最小光検出限界は、式 (8)
または式 (9)のノイズ電流と等しい電流を発生させる入射
光量 (雑音等価電力: NEP)で表します。
1-8
応答速度
フォトダイオードの応答速度は、生成したキャリアをどれ
NEP = in [W/Hz1/2] ............ (11)
S
だけ速く外部回路へ電流として取り出せるかを示す値で、
in: ノイズ電流 [A/Hz1/2]
S : 受光感度 [A/W]
通常は上昇時間または遮断周波数で表します。
上昇時間
は、
出力信号が10%から90%に達する時間で、
主に以下の
ijが支配的な場合のNEPと並列抵抗の関係を図1-13に
要素で決まります。
示します。
理論値にほぼ一致していることが分かります。
(1) 端子間容量 Ctと負荷抵抗 RLの時定数 t1
[図1-13] NEP−並列抵抗 (S1226-5BK)
Ctは、パッケージ容量とフォトダイオード接合容量 (Cj)
の和です。
t1は式 (12)で表されます。
t1 = 2.2 × Ct × RL .......... (12)
t1を速くするためには、
CtまたはRLを小さく設計する必要
があります。Cjは、受光面積 (A)にほぼ比例し、空乏層幅
(d)に逆比例します。空乏層幅は逆電圧 (V R)と基板材料
の比抵抗 (ρ)との積の2乗根から3乗根に比例し、
式 (13)
のように表されます。
Cj ∝ A {(VR + 0.5) × ρ}
-1/2∼-1/3
............ (13)
したがって、t1を速くするためには、Aが小さくρの大きな
KPDB0007JA
フォトダイオードに逆電圧を印加する必要があります。
ただ
し、
それはt1が応答速度の支配的要素となっている場合で
あり、
ρが大きくなるとキャリアの空乏層走行時間 (t3)が遅
くなるため注意が必要です。
また逆電圧を印加した場合、
29
暗電流が増大するため、
低照度領域での使用時には注意
が必要です。
[図1-15] 応答波形と周波数特性の例
(a) 応答波形
(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、
フォトダイオードの受光部から
外れたチップ周辺や空乏層よりさらに深い基板部で入射光
が吸収された場合に発生します。
このキャリアが拡散する
のに要する時間 (t2)は、
数µs以上になる場合があります。
(3) キャリアの空乏層走行時間 t3
空乏層中をキャリアが走行する速度 (vd)は、
キャリアの
移動度 (µ)と空乏層中の電界 (E)で表すとvd = µ Eとなりま
章
2
す。
平均的な電界は、
逆電圧 (VR)と空乏層幅 (d)で表すと
KPDC0010JB
E = VR/dであるため、
t 3はおおよそ式 (14)で近似されます。
フォトダイオード
S
i
t3 =
d2 ............
d
=
(14)
VR
vd
(b) 応答波形 (S2386-18K)
t 3を速くするためには、
キャリアの走行距離を短くする
か、逆電圧を高くする必要があります。比抵抗が大きいほ
ど、
t3は遅くなります。
以上の3要素がフォトダイオードの上昇時間を決定しま
す。
上昇時間 (tr)は式 (15)で近似されます。
tr =
t12 + t22 + t32 ............. (15)
式 (15)から分かるように、
応答速度はこの3要素の中で
最も遅い要素が支配的になります。
前述したようにt1とt3は
KPDB0010JA
相反する要素を含み、
どちらかを速くすればどちらかが遅
くなるため、用途に合わせたバランスのよい設計を行う必
(c) 周波数特性 (S5973)
要があります。
遮断周波数 (fc)は、正弦波発光させたレーザダイオー
ドなどの光が入射した場合、
フォトダイオードの出力が正
弦波の周波数変動に対して相対的に100%を維持してい
る出力より3 dB減衰する周波数で、上昇時間 (tr)とは式
(16)でおおよそ近似されます。
fc = 0.35 ............ (16)
tr
図1-15にSiフォトダイオードの応答波形と周波数特性の
例を示します。
KSPDB0298JA
PINフォトダイオードは、
空乏層外生成キャリアの発生が
少なく、端子間容量が小さく、空乏層走行時間が短くなる
ように設計されています。
そのため、高速応答が要求され
る光通信などに適しています。
当社製PINフォトダイオード
は、逆電圧を加えた際の暗電流が比較的低い上、優れた
耐圧性をもっています。
図1-16に遮断周波数の逆電圧によ
る変化を示します。
30
1. Siフォトダイオード
[図1-16] 遮断周波数−逆電圧 (S5973, S9055)
還容量と帰還抵抗は、
同時にCf × Rfの時定数をもつロー
パスフィルタとしても作用するため、用途に合わせた値に
設定します。放射線検出など入射光の光量を積算する場
合は、Rfを取り去りオペアンプとCfの積分回路を構成しま
す。
ただし連続した信号検知を行うためには、Cfを放電す
るスイッチが必要です。
[図1-18] Siフォトダイオードとオペアンプの接続例
（a）
章
2
KSPDB0297JA
フォトダイオード
S
i
KPDC0011JA
図1-17は簡易的な接続例で、
負荷抵抗 (測定機入力イ
ンピーダンス)は50 Ωになっています。
セラミックコンデンサ
（b）
Cは逆電圧電源からのリップルやノイズを抑えるためのも
ので、抵抗 RはSiフォトダイオードの保護用です。最大光
電流による電圧降下が逆電圧より十分小さい範囲となるよ
うにRの値を選定します。
Siフォトダイオードとコンデンサの
リード、
同軸ケーブルの芯線など高速パルスが通る経路は
極力短く配線します。
KPDC0035JA
[図1-17] 同軸ケーブルとの接続例
IC : オペアンプ
en: オペアンプの入力換算雑音電圧
バイアス電流
実際のオペアンプの入力インピーダンスは無限大ではな
く、入力端子にはいくらかのバイアス電流が流入または流
KPDC0009JA
出します。検出電流の大きさによっては、
このバイアス電流
が誤差になります。バイアス電流は、FET入力型オペアン
1-9
オペアンプとの接続
プでは0.1 pA以下のものもありますが、バイポーラ型オペ
アンプでは数百pA∼数百nA程度です。
FET入力型オペア
ンプのバイアス電流は、一般に10 ̊Cの温度上昇で2倍に
帰還回路
なりますが、バイポーラ型オペアンプでは減少します。
この
ため、
高温仕様の回路を設計する場合、
バイポーラ型オペ
図1-18は、
Siフォトダイオードとオペアンプの基本的な接
アンプの使用も考慮する必要があります。バイアス電流に
続例です。
この極性の接続において出力電圧 Voutは、
直
よる誤差電圧は、
オフセット電圧と同様にオペアンプのオ
流や低い周波数の範囲では入力電流 (フォトダイオード
フセット調整端子に可変抵抗器を接続して微調整するこ
の短絡電流 Isc)の逆相になります (Vout = -Isc × Rf)。
帰
とができます。
回路を構成する基板のリーク電流は、場合
還抵抗 Rfは、入力電流をどれだけ増倍したいかによって
によってはオペアンプのバイアス電流より大きくなることが
決まりますが、
フォトダイオードの並列抵抗 Rshより大きく
あります。
そのため、最適なオペアンプの選択とともに、パ
なると、
オペアンプの入力換算雑音電圧 enと入力オフセッ
Rf )
ト電圧が( 1 + Rsh
倍されてVoutに重畳してきます。
さら
ターンと部品の配置や、
ガードリングやテフロン端子の採
用について適切な配慮をする必要があります。
に後述するオペアンプのバイアス電流誤差も大きくなるた
め、帰還抵抗を無制限に大きくすることはできません。帰
還容量 Cfは、
入力容量 Ctが存在する場合に高い周波数
領域で回路が不安定になるのを防ぐためのものです。帰
31
(c) ノイズ出力の周波数特性
ゲインピーキング
Siフォトダイオードとオペアンプ回路の高域周波数特性
は、
Rf × Cfの時定数で決まりますが、
端子間容量すなわち
入力容量が大きい場合には、
ゲインピーキングが起こるこ
とがあります。図1-19はゲインピーキングの周波数特性の
例です。高い周波数領域で出力電圧が異常に大きくなり
[図1-19 (a)上トレース]、
パルス光に対する出力電圧波形
に著しいリンギングが発生しています [図1-19 (b)]。
また、
オペアンプ入力ノイズに対しても前述のゲインが作用する
ため、
異常に大きなノイズが観測されます [図1-19 (c)上ト
章
2
レース]。
これらは高い周波数領域で、
オペアンプの入力
容量と帰還容量の各リアクタンスがノイズに対して不安定
な増幅器を形成するために生ずる現象で、光検出性能に
フォトダイオード
S
i
悪影響を与えます。
回路
: 図1-18 (a)
オペアンプ: AD549
上トレース: Cf=0 pF
下トレース: Cf=10 pF
KPDB0021JA
[図1-19] ゲインピーキング
ゲインピーキングの対策
(a) 周波数特性
ゲインピーキングやリンギングを起こさないで広い周波
数特性を達成するためには、
フォトダイオード・オペアン
プ・帰還抵抗・帰還容量を最適に設定する必要がありま
す。
この場合でも
「1-8 応答速度」
で述べたように端子間容
量 (Ct)を小さくすると効果的です。
オペアンプは、一般的
に高速・広帯域特性のものほどゲインピーキングを起こし
にくくなりますが、内部の位相補償が十分でないと逆に発
振する場合があります。帰還素子には、抵抗だけでなく帰
還容量も並列に接続してゲインピーキングを避けます。以
上の対策方法について図1-18 (a)の回路を例にとると、
次
のように説明できます。
回路
: 図1-18 (a)
オペアンプ: AD549
光源波長 : 780 nm
図1-20において低い周波数領域①では、
オペアンプの
上トレース: Cf=0 pF
下トレース: Cf=10 pF
回路ゲインはRshとRfの抵抗比だけで決まります。
KPDB0019JA
(b) パルス光応答
Rsh + Rf
周波数の増大ととも
2πRsh Rf (Cf + Ct) の周波数 f1からは、
1
にゲインが増加する②の区間になります。次に 2πCf Rf の
周波数 f2より高い周波数では、
オペアンプの回路ゲインは
CtとCfの比で決まる③の平坦な区間になります。
そして、
オ
ペアンプのオープンループゲイン (通常6 dB/oct.で減衰)
の曲線に接する周波数 f3から④の領域になります。
ここで
f1、f2は、図1-18 (a)の回路の条件ではそれぞれ160 Hz、
1.6 kHzに相当します。
Cf=1 pFとすると、
f2はf2 に移動し、
回路ゲインはさらに大きくなります。
このとき注目すべきこ
とは、③の回路ゲイン上昇の設定がオペアンプのオープン
ループゲイン曲線を上回っているため、
③の領域が存在し
ないということです。
この状態においては、
オペアンプ回路
の周波数特性ではゲインピーキング、パルス光応答特性
ではリンギングを生じ、
不安定になります [図1-19]。
回路
: 図1-18 (a)
オペアンプ: AD549
光源波長: 780 nm
Cf=0 pF
KPDB0020JA
32
1. Siフォトダイオード
[図1-20] ゲインピーキングの図式的求め方
[図1-21] 極微弱光センサヘッド
(a) シールドケーブルをフォトダイオードに接続した例
KSPDC0051JC
(b) 回路全体を金属製シールドボックスに収納した例
章
2
KPDB0016JA
フォトダイオード
S
i
ゲインピーキングの対策のためには、
以下の点が必要で
す。
KSPDC0052JB
(1) 図1-20の③のような平坦な領域が存在するようにRfと
(c) 光ファイバを使用した例
Cfを決定します。
(2) f2がオペアンプのオープンループゲイン直線の右側に
位置する場合、
ゲインが1になる周波数 (ゲイン帯域幅)
が高いオペアンプにかえて、
③の領域を設定します。
(3) Ctの値が小さいフォトダイオードと取り替えます。
図1-20
)
の例では、( 1 + Ct
Cf を1に近づけるようにします。
KSPDC0053JB
路ゲインが存在しており、
オペアンプの入力ノイズや帰還
太線の部分は、ガードパターン内またはテフロン端子上に配線
IC1 : FET入力オペアンプなど
IC2 : OP07など
Cf : 10 pF∼100 pFスチコン
Rf : 10 GΩ max.
SW: リーク電流の小さいリードリレースイッチ
PD : S1226/S1336/S2386シリーズ, S2281など
抵抗のノイズが減衰を受けず、
場合によっては増幅されて
Vo = Isc × Rf [V]
(1)(2)により、
ゲインピーキング、
リンギングは減少あるい
は発生しなくなります。
しかし、高い周波数領域③では回
出力に現れます。
これを避けるためには (3)の方法を行い
フォトダイオードの受光部をGNDに終端してシールド層
ます。
として使い、
信号をカソード端子から取り出すことも有効な
このような手順で、通常のゲインピーキングやリンギング
対策です。
電源からの交流ノイズに対しては、
電源ラインに
によるS/N劣化は解決できます。
なお、上記対策とは関係
RCフィルタやLCフィルタを入れることで対策を行います。
な
なく、
オペアンプの出力に数百pF∼数nF以上の負荷容量
お、
電源として乾電池を使用することも有効な対策となりま
(数メートル以上の同軸ケーブルやコンデンサなど)を接続
す。
オペアンプのもつノイズに対しては、
1/fノイズが小さく入
すると、
オペアンプによっては発振することがあるため、
負
力換算雑音電流の低いオペアンプを選択することによって
荷容量はできるだけ小さくする必要があります。
対策を行います。
さらに、
信号の周波数帯域に合わせて回
路の周波数帯域を帰還容量 (Cf)を用いて制限することに
1 - 10
応用回路例
よって、
高周波ノイズを低減します。
次に、
出力誤差 (オペアンプの入力バイアス電流や入力
オフセット電圧、
回路配線の引き回し、
回路基板表面のリー
極微弱光検出回路
ク電流などによる)の低減が必要です。入力バイアス電流
が数百fA以下で、FET入力型オペアンプか低1/fノイズで
極微弱光を検出する回路では、
周囲からの電磁ノイズ、
CMOS入力のオペアンプを選択します。
さらに、入力オフ
電源からの交流ノイズ、
オペアンプのもつノイズなどを低減
セット電圧が数mV以下で、
オフセット調整端子があるオペ
するための対策が必要です。
アンプが有効です。
回路基板は、高絶縁抵抗の材質のも
周囲からの電磁ノイズに対しては、図1-21のような対策
のを使用します。
フォトダイオードからオペアンプの入力端
を行います。
子までの配線、
および帰還抵抗と帰還容量の入力側配線
は、
ガードパターンを使用するか、
テフロン端子を使用した
33
空中配線を行い、
基板表面のリーク電流対策を行います。
なお、
極微弱光検知用フォトダイオード用アンプとしてフォ
差をなくすため、Cは誘電吸収が小さいコンデンサを使用
トセンサアンプ C6386-01、
C9051、
C9329を用意しています。
します。
なお、
SWはCMOS型アナログスイッチです。
[図1-22] フォトセンサアンプ
[図1-24] 光量積分回路
(a) C6386-01
章
2
から、短絡電流の平均値が求められます。
リセット時の誤
(b) C9051
(c) C9329
フォトダイオード
S
i
フォトダイオード、BNC-BNC
プラグ付同軸ケーブルは別売
リセット入力: TTL Lowレベルでリセット
IC : LF356など
SW: CMOS 4066
PD : S1226/S1336/S2386シリーズなど
C : ポリカーボネートコンデンサなど
VO = Isc × tO ×
1
[V]
C
KPDC0027JB
光量−対数電圧変換回路
光量−対数電圧変換回路 [図1-23]の出力電圧は、検
出光量の対数的変化に比例します。対数変換用のログダ
イオード Dは、
低暗電流で低直列抵抗のタイプを使用しま
す。
小信号トランジスタのB-E間や接合型FETのG-S間をロ
グダイオードとして利用することもできます。IBは、Dにバイ
アス電流を供給して回路動作点を設定するための電流源
です。IBを供給しないと、
フォトダイオードの短絡電流 Isc
がゼロになったとき回路がラッチアップします。
簡易照度計 (1)
視感度補正された当社製Siフォトダイオード S9219と
フォトセンサアンプ C9329を用いた簡易照度計回路です。
図1-25のように、
C9329の出力に抵抗を用いた分圧回路を
外付けして1 Vレンジの電圧計に接続することによって、
最
大1000 lxの照度を測定できます。
この回路の校正には標準光源を使用しますが、標準光
源がない場合は100 Wの白色光源を利用して簡易的な校
正を行うことも可能です。
[図1-23] 光量−対数電圧変換回路
校正方法を以下に示します。初めにC9329のLレンジ
を選択し、可変抵抗器 VRを時計方向へ止まるまで回し
ます。
この状態でS9219を遮光して、電圧計が0 Vになる
ようにC9329のゼロ調整ボリュームを回して調整します。
次に白色光源を点灯させ、
電圧計の表示が0.225 Vとなる
D : 低暗電流で低直列抵抗のダイオード
IB : 回路動作点設定用電流源, IB << Isc
R : 1 GΩ∼10 GΩ
Io: Dの飽和電流, 10-15∼10-12 A
IC: FET入力型オペアンプなど
Vo = -0.06 log (
ように白色光源とS9219との距離を調整します (このとき
S9219の表面の照度は約100 lxになります)。続いて電圧
計の表示が0.1 VとなるようにVRを反時計方向に回して調
Isc + IB
+ 1) [V]
Io
整し、
校正を終了します。
KPDC0021JA
校正後は、C9329のLレンジで1 mV/lx、Mレンジで100
mV/lxの出力となります。
光量積分回路
フォトダイオードとオペアンプの積分回路を用いた光量積
分回路です。波高値・周期・パルス幅などが不規則な光パ
ルス列の積算光量や平均光量の測定などに使用します。
図1-24のICとCは積分器を構成し、パルス光によって発
生する短絡電流 Iscを積分コンデンサ Cに蓄えます。
リセッ
ト直前の出力電圧 Voと積分時間 toおよび既知のCの値
34
1. Siフォトダイオード
[図1-25] 簡易照度計 (1)
傍だけを高感度に検知できます。
またフィルタを用いて、
特
定波長域の光量バランス検知に利用することができます。
[図1-27] 光量バランス検知回路
PD: S9219 (4.5
A/100 lx)
KSPDC0054JB
PD : S1226/S1336/S2386シリーズなど
IC : LF356など
D : ISS226など
簡易照度計 (2)
視感度補正されたSiフォトダイオード S7686とオペアン
章
Vo = Rf × (Isc 2 - Isc1) [V]
(ただしVo<±0.5 V)
2
KPDC0017JB
S
i
1 Vレンジの電圧計に接続することによって、
最大10000 lx
フォトダイオード
プの電流−電圧変換回路を用いた簡易照度計回路です。
吸光度計
の照度を測定できます。
オペアンプは、入力バイアス電流が小さい単電源の低
専用ICと2つのSiフォトダイオードを使用した、
2つの電流
消費電流タイプを使用します。
この校正は100 Wの白色光
入力の対数比が得られる吸光度計です [図1-28]。光源
源を利用した簡易的な方法で行うことが可能です。
の光の強度と試料を通過した後の光の強度を2つのSiフォ
初めに10 mV/lxレンジを選択し、
メータ校正用ボリュー
トダイオードで測定して比較することで、試料の吸光度を
ムのしゅう動端子とオペアンプの出力端子を短絡します。
測ることができます。
次に白色光源を点灯させ、電圧計の表示が0.45 Vとなる
初めに2つのSiフォトダイオードの短絡電流が同じ値にな
ように白色光源とS7686との距離を調整します (このとき
るように絞りなどの光学系を調整して、
出力電圧 Voが 0 V
S7686の表面の照度は約100 lxになります)。続いて電圧
となるようにします。
次に、
試料を片側の光路に挿入します。
計の指示が1 Vとなるようにメータ校正用ボリュームを調整
このときの出力電圧の値が、試料の吸光度となります。吸
し、
校正を終了します。
光度 Aと出力電圧 Voの関係は、
A=-Vo [V]で表されます。
必要に応じて、図1-28のように光源の前にフィルタを設
[図1-26] 簡易照度計 (2)
置することで、特定波長域や単色光での分光吸光度を測
定することができます。
[図1-28] 吸光度計
VR: メータ校正用可変抵抗
IC : TLC271など
PD: S7686 (0.45 A/100 lx)
A : Logアンプ
PD: S5870など
KPDC0018JE
Vo = log (ISC1/ISC2) [V]
KPDC0025JC
光量バランス検知回路
図1-27は、逆並列接続した2つのS iフォトダイオード
PD1・PD2とオペアンプの電流−電圧変換回路を用いた光
量バランス検知回路です。受光感度は帰還抵抗 Rfの値
で決まります。
PD1・PD2に入射する光量が等しいとき、
出力
電圧 Voはゼロになります。2つのダイオード Dが逆接続さ
れているため、
PD1・PD2の受光量がアンバランスの状態で
LEDの全放射光量の測定
LEDの発光波長幅は数十nm程度と狭いため、LEDの
ピーク発光波長におけるSiフォトダイオードの受光感度か
らLEDの放射光量を知ることができます。図1-29において
LED側面からの光放射成分は、
表面を鏡面加工した反射
ブロック Bで正面側に反射され、全放射光量がSiフォトダ
はVo=±0.5 V程度の範囲に制限され、バランス状態の近
35
[図1-31] フォトセンサアンプ C8366
イオードで検知されます。
[図1-29] LEDの全放射光量の測定
A :
PD :
B :
S :
章
2
電流計, 1 mA∼10 mA
S2387-1010R
アルミニウムブロック、内側金メッキ
Siフォトダイオードの受光感度
データシートの特性表参照
S2387-1010R: 930 nmではS=0.58 A/W
Po : 全放射光量
Po =
高速／光検出回路 (2)
Isc
[W]
S
S
i
フォトダイオード
KPDC0026JA
逆電圧を印加して低容量化したSi PINフォトダイオード
の短絡電流を負荷抵抗 RLで電圧変換し、
高速オペアンプ
高速／光検出回路 (1)
で電圧増幅する高速／光検出回路です [図1-32]。
この回
路では、
オペアンプの位相ズレに基づくゲインピーキング
逆電圧を印加して低容量化したSi PINフォトダイオード
の恐れがありません。
オペアンプの選択によって周波数帯
と、高速オペアンプの電流−電圧変換回路を使用した高
域が100 MHz以上の回路が可能です。使用部品・パター
速／光検出回路です [図1-30]。
この回路の周波数帯域
ン・構造についての注意点は前述の
「高速／光検出回路
は、
オペアンプの特性で制約され、
100 MHz程度以下にな
(1)」
と同様です。
ります。
周波数帯域が1 MHzを超える回路では、
各部品のリード
[図1-32] 高速／光検出回路 (2)
インダクタンスや帰還抵抗 Rfの浮遊容量が応答速度に大
きな影響を与えます。
そのため、
チップ部品を使用して部品
のリードインダクタンスを低減したり、
複数の抵抗を直列接
続して抵抗の浮遊容量を低減して、
その影響を抑えます。
また、
オペアンプの入力部分の基板パターンで生じる浮
遊容量やインダクタンス、
フォトダイオードのリードインダクタ
ンスの影響を低減するため、
フォトダイオードのリードは極
力短くし、
オペアンプとできる限り短く太いパターンで配線し
ます。
性能向上のためには、
基板銅箔面全面を接地電位と
して使用するグランドプレーン構造が効果的です。
PD
: 高速PINフォトダイオード
(S5971, S5972, S5973, S9055, S9055-01など)
R L, R, Rf: オペアンプの推奨条件に合わせて調整
IC
: AD8001など
Vo = Isc × R L × (1 +
Rf
) [V]
R
KPDC0015JE
なお、
オペアンプの電源ラインに接続するコンデンサ
0.1 µFにはセラミックコンデンサを使用し、
直近の接地電位
に最短距離で接続します。
交流光検出回路 (1)
当社は、
周波数帯域 100 MHzのPINフォトダイオード用
逆電圧を印加して低容量化したSi PINフォトダイオード
フォトセンサアンプ C8366を用意しています。
の光電流を負荷抵抗 RLで電圧変換し、
高速オペアンプで
電圧増幅する交流光検出回路です [図1-33]。
この回路で
[図1-30] 高速／光検出回路 (1)
は、
オペアンプの位相ズレに基づくゲインピーキングの恐
れがありません。
オペアンプの選択によって、周波数帯域
が100 MHz以上の回路が可能です。
使用部品・パターン・構造についての注意点は、前述の
「高速／光検出回路 (1)」
と同様です。
PD: 高速PINフォトダイオード (S5971, S5972, S5973など)
Rf : 並列容量を避けるため複数個直列
IC : AD745, LT1360, HA2525など
Vo = -Isc × Rf [V]
KPDC0020JD
36
1. Siフォトダイオード 2. PSD（位置検出素子）
[図1-33] 交流光検出回路 (1)
2.
PSD（位置検出素子）
光の入射位置を検出する方法として、多数の小型検
出器を並べたり、多分割された検出器 (イメージセンサな
ど)を用いて行う方法があります。
これに対し、1個の検出
器で光の入射位置を検出するものとしてPSD (Position
PD
: 高速PINフォトダイオード
(S5971, S5972, S5973, S9055, S9055-01など)
R L, R, Rf, r: オペアンプの推奨条件に合わせて調整
IC
: AD8001など
Sensitive Detector)があります。
PSDは、
フォトダイオードの表面抵抗を利用した非分割
型の受光素子のため、連続した電気信号が得られ、位置
Vo = Isc × R L × (1 + Rf ) [V]
R
KPDC0034JA
分解能・応答性・信頼性に優れています。
章
位置・角度・歪み・振動の測定、
レンズの反射・屈折の
2
測定、
レーザ変位計などの精密測定、光学的なリモートコ
交流光検出回路 (2)
ントロール装置の他、測距装置・光電スイッチなど幅広い
S
i
フォトダイオード
逆電圧を印加して低容量化したPINフォトダイオードと、
分野にPSDは用いられています。
FETによる電圧増幅回路を用いた交流光検出回路です
[図1-34]。低ノイズFETを使用することによって、
安価で小
2-1
型な低ノイズ回路が実現でき、
空間光伝送や光リモコンな
どの受光部に使用します。図1-34ではFETのドレインから
信号出力を取っていますが、入力抵抗の小さい次段回路
特長
・優れた位置分解能
へのインターフェースにはソース側から信号出力を取り出
・広い感度波長範囲
すか、
ボルテージ・フォロアを追加します。
・高速応答
[図1-34] 交流光検出回路 (2)
・スポット光の光強度と光量重心位置を同時に検出
・高信頼性
2-2
構造、動作原理
PSDは、
高抵抗半導体基板の片面または両面に均一な
抵抗層を形成し、
抵抗層の両端に信号取り出し用の1対の
PD :
RL :
RS :
FET:
高速PINフォトダイオード (S2506-02, S5971, S5972, S5973など)
フォトダイオードの感度と端子間容量により決定
FETの動作点で決定
2SK362など
KPDC0014JE
電極を設けた構造をもっています。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。
図2-1は、
PSDの動作原理を示す断面構造図です。
N型
高抵抗Si基板の上に、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。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。
37
[図2-1] PSDの断面構造図
[図2-3] 受光面図 (1次元PSD)
KPSDC0010JB
入射位置換算式 [図2-3参照]
IX2 - IX1 2XA ........
=
(9)
IX1 + IX2
LX
KPSDC0005JB
章
2
図2-1におけるスポット光の入射位置と電極 X1 、
X2の出
力電流の関係は、
以下のようになります。
PSD中心を原点とした場合
フォトダイオード
S
i
IX1
LX
- XA
2
=
× Io .... (1)
LX
IX2 - IX1
2XA ........
=
(3)
IX1 + IX2
LX
IX2
2次元PSD
2次元PSDは、電極相互の干渉を抑えるため、受光面・
LX
+ XA
2
=
× Io ... (2)
LX
IX1
LX - 2XA .......
=
(4)
IX2
LX + 2XA
電極の形状を工夫しています。低暗電流、高速応答、逆
電圧の印加が容易といった特長に加え、周辺部での歪み
が大幅に抑えられています。入射位置換算式は、式 (10)
(11)のようになります。
[図2-4] 構造図、等価回路（2次元PSD）
PSD端を原点とした場合
IX1 =
LX - XB
× Io ...... (5)
LX
IX2 - IX1 2XB - LX ...
=
(7)
IX1 + IX2
LX
IX1:
IX2:
Io :
LX :
XA :
XB :
IX2 =
XB
× Io ........... (6)
LX
IX1
LX - XB ...........
=
(8)
IX2
XB
電極 X1の出力電流
電極 X2の出力電流
全光電流 (IX1 + IX2)
抵抗長 (受光面の長さ)
PSDの電気的中心位置から入射位置までの距離
電極 X1から入射位置までの距離
KPSDC0009JC
[図2-5] 受光面図（2次元PSD）
式 (1)(2)(5)(6)からI X1、
I X2の値を求めて式 (3)(4)(7)
(8)に入れると、光量およびその変化とは無関係に、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。
1次元PSD
[図2-2] 構造図、等価回路 (1次元PSD)
KPSDC0012JC
入射位置換算式 [図2-5参照]
(IX2 + IY1) - (IX1 + IY2) 2XA ........
=
(10)
IX1 + IX2 + IY1 + IY2
LX
KPSDC0006JA
38
(IX2 + IY2) - (IX1 + IY1) 2YA ........
=
(11)
IX1 + IX2 + IY1 + IY2
LY
2. PSD（位置検出素子）
[図2-7] 1次元PSDの光電流測定例 (S4583-04など)
位置検出誤差
2-3
PSDは、各出力電極より取り出される光電流からスポッ
ト光の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、
スポット光の大き
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。
そ
の誤差、すなわち位置検出誤差は、PSDの最も重要な特
性の1つです。
PSDにスポット光を入射し、各出力電極から取り出され
章
2
る光電流値が等しくなるPSD上のスポット光の入射位置を
電気的中心位置と呼びます。
この電気的中心位置を原点
KPSDB0114JA
S
i
[図2-8] １次元PSDの位置検出誤差の例（S4583-04など)
フォトダイオード
として、
スポット光の入射位置と光電流値より演算された
入射位置との差を位置検出誤差と定義しています。
[図2-6] PSDの断面図
KPSDC0071JB
KPSDB0005JA
位置検出誤差の計算方法は次の通りです。図2-6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をI X1および
IX2、
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 (E)と定めます。
E = Xi - Xm [ m] ............. (12)
Xi : 実際の入射位置 [ m]
Xm: 演算位置 [ m]
Xm =
IX2 - IX1 LX ........
×
(13)
IX1 + IX2
2
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2-9
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位置と受光面上の光量重心位置
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、
スポット光のサイズに合わせてPSDを選択する必
要があります。
[図2-9] スポット光の光量重心位置
位置検出誤差の測定条件を以下に示します。
・光源
:λ=830 nm
・スポット光サイズ :φ200 µm
・全光電流値
: 10 µA
・逆電圧
: データシート記載の所定の電圧
図2-7・図2-8に、
抵抗長 3 mmの1次元PSD (S4583-04な
KPSDC0073JA
ど)を使って測定した際の光電流測定例と、
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。
位置検出誤差の規定範囲については、図2-10のように
設定しています。
39
[図2-10] 位置検出誤差の規定範囲
1次元PSDを電流−電圧変換型オペアンプと接続して
使用する場合の接続例を図2-11に示します。
また、図2-12
(a) 1次元PSD (抵抗長≦12 mm)
にそのノイズモデルを示します。
[図2-11] 1次元PSDと電流−電圧変換型オペアンプとの
接続例
KPSDC0074JA
(b) 1次元PSD (抵抗長＞12 mm)
章
2
KPSDC0076EA
フォトダイオード
S
i
[図2-12] ノイズモデル
KPSDC0075JA
(c) 2次元PSD
KPSDC0063JA
2次元PSDの周辺部は、
中心部に比べ位置検出誤差が
大きいため、
Zone AとZone Bに区別して規定しています。
KPSDC0077JA
2-4
位置分解能
PSDの受光面上で検出できるスポット光の最小変位を
位置分解能として定義し、
受光面上の距離で表します。
位
置分解能は、
PSDの抵抗長とS/Nによって決まります。
位置
演算式 (6)を例にとると、
式 (14)が成り立ちます。
IX2
XB + Δx
+ ΔI =
× Io ......... (14)
LX
ΔI : 出力電流の変化
Δx: スポット光の微小変位
したがって、
Δxは式 (15)で表されます。
Δx = LX ×
ΔI .........................
(15)
Io
位置変化が無限小になった場合は、
出力電流 I X2に含
まれるノイズ成分が分解能を決定します。一般にPSDのノ
イズ電流をInとすると、
位置分解能 (ΔR)は式 (16)で表さ
れます。
ΔR = LX ×
40
In ........................
(16)
Io
ノイズ電流
位置分解能を決定するノイズ電流について説明します。
(1) Rf >> Rieの場合
電流−電圧変換回路のフィードバック抵抗 (Rf)が、
PSD
の電極間抵抗 (Rie)と比較して十分大きな値である場合、
式 (19)でノイズ電流を計算します。
このとき、1/Rfは1/Rie
と比べ十分小さい値とみなせるため無視できます。
・光電流および暗電流に起因するショットノイズ電流 Is
Is =
q:
I O:
ID :
B:
2q × (IO + ID) × B [A] ............ (17)
1電子当たりの電荷量 [C]
光電流 [A]
暗電流 [A]
帯域幅 [Hz]
2. PSD（位置検出素子）
・電極間抵抗で発生する熱雑音電流
間抵抗をパラメータにして表したものが図2-14です。電極
(ジョンソンノイズ電流) Ij
間抵抗が10 kΩ程度のPSDでは、
使用するオペアンプの特
性がノイズ電流を決める要因となるため、低ノイズ電流の
4k T B [A] ............ (18)
Rie
Ij =
オペアンプを使用する必要があります。
また、電極間抵抗
が100 kΩを超えるPSDでは、PSD自体の電極間抵抗によ
k : ボルツマン定数 [J/K]
T : 絶対温度 [K]
Rie: 電極間抵抗 [Ω]
る熱雑音が支配的になります。
[図2-13] ショットノイズ電流−光電流
注) 通常Rsh >> Rieのため、Rshについては無視できます。
・オペアンプの入力換算雑音電圧によるノイズ電流 Ien
Ien =
en
Rie
B [A] ............ (19)
章
2
en: オペアンプの入力換算雑音電圧 [V/Hz1/2]
S
i
フォトダイオード
PSDのノイズ電流 (In)は、
式 (17) (18) (19)の和より実
効値 (rms)として式 (20)で表されます。
In =
Is2 + Ij2 + Ien2 [A] ............ (20)
(2) RfがRieに対して無視できない場合
Rie
KPSDB0083JB
( Rf ＞0.1 程度のとき)
ノイズ電流は、
出力雑音電圧に換算して求めます。
この
[図2-14] ノイズ電流−電極間抵抗
場合、
式 (17) (18) (19)は、
出力電圧換算をするとそれぞ
れ次のようになります。
Vs = Rf ×
2q × (Io + ID) × B [V] ............. (21)
Vj = Rf ×
4k T B [V] ............................... (22)
Rie
Ven = 1 + Rf
Rie
× en ×
B [V] ............. (23)
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。
・フィードバック抵抗で発生する熱雑音電圧 VRf
KPSDB0084JA
4k T B [V] .......................... (24)
Rf
VRf = Rf ×
このようにPSDは、
電極間抵抗と光電流により位置分解
・オペアンプの入力換算雑音電流の雑音電圧 Vin
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。
Vin = Rf × in ×
B [V] ........................... (25)
in: オペアンプの入力換算雑音電流 [A/Hz1/2]
PSDの位置分解能を向上させるには、以下の手法が有
そのため、オペアンプの出力雑音電圧 (V n)は実効値
(rms)として、
式 (26)で表されます。
Vn =
Vs2
+
Vj2
+
Ven2
+
VRf2
+
Vin2
効です。
・電極間抵抗 (Rie)を高くする。
・信号光電流 (Io)を増加させる。
・抵抗長 (Lx)を短くする。
[V] ............ (26)
図2-13は、Rf>>Rieのときのショットノイズ電流、光電流
をパラメータにして表したものです。
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ノイズ電流、電極
・適切なノイズ特性のオペアンプを使用する。
当社は、
光電流 1 µA、
回路系入力ノイズ 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。
41
図2-16は、異なる波長の入射光における上昇時間と逆
応答速度
2-5
電圧の関係を示した例です。入射光の波長を短くして逆
フォトダイオードと同様にPSDの応答速度は、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せる
かを示す値です。
通常、
応答速度は上昇時間で表します。
PSDの受光面上のスポット光の位置が高速で移動する場
電圧を大きくすることが、上昇時間を速くするために有効
であることが分かります。
また、
電極間抵抗の小さいPSDを
選択することも有効です。
[図2-16] 上昇時間−逆電圧 (代表例)
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。
章
2
(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、
電極間抵抗と端子間容量 (Ct)によって表さ
フォトダイオード
S
i
れる時定数 t1は式 (27)のようになります。
t1 = 2.2 × Ct × (Rie + RL) ......... (27)
PSDの電極間抵抗は電極間に分布していますが、
当社
KPSDB0110JB
は受光面中心での応答速度を定義しているため、
式 (27)
はおおよそ式 (28)のようになります。
2-6
t1 = 0.5 × Ct × (Rie + RL) ......... (28)
PSDを屋外など背景光の多い場所で使用する場合や、
(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、
PSDの受光面から外れたチッ
プ周辺部に光が入射した場合や、空乏層よりさらに深い
基板内で光が吸収された場合に発生します。
このキャリア
は、
基板内を拡散し出力されますが、
拡散に要する時間 t2
は数µs以上になることがあります。
PSDの上昇時間 (tr)は式 (29)で近似され、応答波形
は図2-15のようになります。
tr =
t 12
+
t 22
飽和光電流
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2-17は、PSDが飽和してい
ない場合の出力例です。
この場合、受光面全域で直線性
があり、
PSDは正常に機能しています。
図2-18は、
PSDが飽和した場合の出力例です。
この場合、
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い
ます [図2-19]。飽和光電流は、受光面全域に光を入射さ
.......................... (29)
せたときの全光電流値で規定しています。微小スポット光
の入射時は、部分的に電流が集中するため、
この値よりも
低い値になります。
[図2-15] PSDの応答波形例
PSDの飽和現象を避けるためには、以下の方法が有効
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。
・スポット光サイズを大きくする。
KPSDC0078JA
42
2. PSD（位置検出素子）
[図2-17] 正常動作時の光電流出力例 (S5629)
2-7
使い方
推奨回路
(1) 動作回路例
PSDの出力は電流であるため、
オペアンプを用いて電圧
信号に変換し専用ICで演算処理を行う方法が一般的で
す。代表的な回路例を図2-20・図2-21に示します。PSDの
受光面内にスポット光が入射している場合、PSDと光源の
距離や光源の輝度の変化で入射光量が変動しても、
位置
章
演算出力は変化しません。
2
背景光がある場合は、
背景光による光電流を除去するた
KPSDB0087JA
めに光源をパルス点灯し、図2-21の回路例のようにPSDと
フォトダイオード
S
i
I/V変換器を交流結合して交流成分だけを取り込みます。
[図2-18] 飽和時の光電流出力例 (S5629)
図2-22は、PCへのデータ取り込みが可能なデジタル出
力を備えた回路のブロック図です。PSDの出力電流をI/V
変換・A/D変換した後、
マイコンで演算処理しています。
[図2-20] DC動作回路例
(a) 1次元PSD用
KPSDB0086JB
KPSDC0085JC
[図2-19] 飽和光電流−電極間抵抗 (受光面全域照射時)
(b) 2次元PSD用
KPSDC0026JE
KPSDB0003JA
43
[図2-21] AC動作回路例 (2次元PSD用)
得られます。
また、電源としてACアダプタを使用するため、
取り扱いが容易です。
KPSDC0029JE
章
2
[図2-22] デジタル出力DC動作回路のブロック図 (C9069)
フォトダイオード
S
i
KACCC0223JA
(2) PSD信号処理回路
[図2-23] 2次元PSD信号処理回路 C9069
当社は、
1次元／2次元PSDの評価を容易に行うため各
種のPSD信号処理回路を用意しています。
DC信号処理回
路は、前述のDC動作回路例に類似したI/V変換器・加減
算回路・アナログ割算回路をコンパクトなボードにまとめた
ものです。AC信号処理回路は、前述のAC動作回路例に
加えて同期回路・LED駆動回路を内蔵しているため、
電源
(±15 V)とLEDを配線するだけで測定を開始できます。
デジタル出力信号処理回路は、加減算・割算などの位
置演算をすべてマイコン処理しているため、
入射光量が大
きく輝度変化が小さい測定において安定した位置出力が
44
2. PSD（位置検出素子） 3. 応用例
3.
れ、受光面内の感度バラツキが小さいため、受光面内の
応用例
どの位置に光が入射しても安定して検出することができま
す。
また、
外乱光をカットするフィルタの実装や小型実装技
3-1
術にも優れており、バーコードリーダの小型化に貢献して
粒度分布計
(レーザ回折・散乱法)
います。
レーザ回折・散乱法は、測定時間が短い、再現性がよ
い、流動状態の粒子が測定できるなどの特長をもった粒
度分布測定法です。測定対象となる粒子にレーザ光 (単
色・平行ビーム)を照射すると、空間的に回折・散乱光の
は、粒子の大きさに依存して変化します。回折・散乱光を
検出するためには、大面積で分解能の高いセンサが要求
当社の多素子タイプSiフォトダイオードは、素子ごとの
特性のバラツキが小さく、
優れた感度特性をもった受光素
子です。
また、
当社の優れた
「大型チップの実装／加工技
術」
を採用しています。
そのため、粒度分布計の心臓部に
当たるセンサ部 (前方回折・散乱光センサ＆側方・後方散
乱光センサ)として、多く使用されています。10 nm∼300
µmの粒子の測定が可能な粒度分布計などに内蔵され、
紫外線はエネルギーが高く、
殺菌作用や光触媒作用をも
ちます。
一方、
吸収により物質を劣化させる作用もあります。
当社のSiフォトダイオードは紫外域にも高い感度をもっ
2
ているため、
紫外線の検出に広く利用されています。
たとえ
ばSiフォトダイオードと紫外線単波長バンドパスフィルタを
高信頼性パッケージに実装した製品は、
水質汚濁の1つで
S
i
フォトダイオード
されます。
UVセンサ
章
光強度分布パターンが生じます。
この光強度分布パターン
3-3
ある有機汚染を検出する装置に広く使用されています。
紫外線を受光する際、
使用環境によってパッケージ内の
樹脂から発生したアウトガスが紫外線と反応することで感
度が劣化する恐れがあります。
当社では、樹脂を用いない
パッケージ技術や、
紫外線耐性に優れたSiチップの開発な
どにより、高い信頼性をもった紫外域用Siフォトダイオード
も実現しています。
環境測定に用いられています。
3-4
[図3-1] 粒度分布計 (レーザ回折・散乱法)の構成
ロータリーエンコーダ
ロータリーエンコーダは、FA機器などに広く用いられて
います。
ロータリーエンコーダにおいては、
発光素子と受光
素子 (フォトダイオード)の間に回転スリットと固定スリット
があります。
回転スリットの回転により、発光素子の光が透
過・遮断されますが、
この光の変化を受光素子がとらえる
ことで回転を検出します。
軸の回転数 (アナログ値)をパルス (デジタル値)に変換
するために、受光素子には高速応答と高いチップ位置精
度が要求されます。
当社の多素子タイプSi PINフォトダイ
オードは、高速で変化する光信号の検出に適しており、素
子間の感度や応答速度のバラツキが少ないため、安定し
KSPDC0056JA
た検出能力を実現しています。
なお、受光素子の低ノイズ
化のために、受光部以外を遮光するパターニング技術を
3-2
バーコードリーダ
適用することができます。
[図3-2] ロータリーエンコーダの構成例
バーコードリーダにおいては、
LEDやレーザダイオードな
どの光源の光をバーコード面に照射し、
その反射光をレン
ズで集光し、光センサで検知します。検知されたパターン
と登録されたパターンを比較照合することにより、文字・数
字などに変換します。
バーコードリーダの光センサには高感度や高速応答が
要求される上に、反射光を高精度に検出する必要があり
KSPDC0062JA
ます。
当社のSi PINフォトダイオードは、
これらの特性に優
45
3-5
カラーセンサ
3-6
VICS
(道路交通情報通信システム)
色の検出を行う場合、
光の3原色である赤 (R)・緑 (G)・
章
2
フォトダイオード
S
i
青 (B)のそれぞれの信号を分けて検出することで、色識
VICS (Vehicle Information and Communication
別はもとより、紙幣鑑別、塗装色識別、印刷物・繊維製品
System)は、渋滞状況・工事・交通規制・所要時間などに
の色管理などが可能となります。Siフォトダイオードは広い
ついての情報提供をFM多重放送・電波・光を媒体として
波長にわたって感度をもちますが、
フィルタを組み合わせ
行うシステムです。
ることにより、RGB個々の波長の検出が可能となります。
当
光媒体による情報提供は、道路の主要箇所に設置さ
社のカラーセンサ用Siフォトダイオードは、
RGBの各センサ
れた光ビーコン (路上器)と車内に設置される光ビーコン
が一体になっているため小型サイズで、容易に色信号を
(車載器)の間で、
近赤外線の光を用いて双方向の通信を
検出することができます。
行います。
この方式の利点は他の媒体とは異なり双方向
TFT液晶バックライトのRGB-LEDの温度特性や劣化
の情報交換が可能である点で、欠点は通信エリアが限定
による色変化の影響を調整するため、
当社のSiフォトダイ
されてピンポイントでの情報提供しか行えない点です。
な
オードを搭載したカラーセンサモジュールが、LEDのRGB
お、
アップリンク (車載器→路上器)とダウンリンク (路上器
各色の検出に用いられます。
→車載器)では通信範囲が異なります。
[図3-3] RGB-LEDを用いたTFT液晶バックライトの
色調整 (C9303シリーズの応用例)
[図3-5] 光ビーコンの構成
KLEDC0029JA
KACCC0212JE
[図3-4] カラーセンサモジュール C9303シリーズ
光ビーコン内には、
LEDとフォトダイオードが搭載されて
います。
車載器は設置スペースの問題から小型化が要求さ
れ、
表面実装型フォトダイオードが使用されます。
車載器は
過酷な環境条件が想定されるため、
動作／保存温度範囲
が通常のフォトダイオードより広い設計が必要になります。
当初のVICSではLEDアレイとフォトダイオードを別々に
搭載しているタイプがほとんどでしたが、現在は一体化さ
れた小型モジュールが広く使用されています [図3-6]。
[図3-6] VICS用 投／受光モジュール P8212
46
3. 応用例
3-7
[図3-8] ダイレクト位置検出の例
三角測距
三角測距の原理を図3-7に示します。
光源 (LEDやLDな
ど)から照射された光を投光レンズで集光し測定対象物
に当てて、
その反射光を受光レンズを介してPSD受光面上
に入射させます。光源とPSDの間隔 (基線長)をB、
レンズ
の焦点距離をf、
スポット光のPSD上の中心からの移動距
離をXとすると、
測定対象物までの距離 Lは (1/X) × f × B
で表されます。
この方式では、測定対象物の反射率の違
いや光源のパワーの強弱に関係なく測距できるという特
KPSDC0080JB
長があります。
レーザ変位計には、
この原理が応用されて
章
います。
2
[図3-9] カメラの光学式手ブレ補正
[図3-7] 三角測距の原理
(a) 手ブレのない状態
フォトダイオード
S
i
KPSDC0087JA
(b) 手ブレが発生した状態
KPSDC0086JA
3-8
ダイレクト位置検出
ダイレクト位置検出の原理を図3-8に示します。光源
KPSDC0088JA
(LEDやLDなど)から照射された光が、
スリットを通過し
PSD受光面上に入射します。
スリットの移動に対応して、
(c) 手ブレ補正をした状態 (補正光学系を移動)
PSD受光面上の入射光位置も変位します。
その位置情報
を演算することで、
スリットの変位量が分かります。
図3-9は、
カメラの光学式手ブレ補正の応用例です。手
ブレによってカメラのレンズがブレたときに、補正光学系
(PSDを使用)をブレの方向に平行移動させ、
像の中心をイ
メージセンサの受光部の中央に戻すことで画像のブレを
補正します。PSDは、補正光学系と一体となっているスリッ
トの移動 (位置情報)を検出し位置制御に使用されます。
KPSDC0089JA
47
章
2
フォトダイオード
S
i
48