環境センサ Part 11：光センサの基本となる受光素子 : フォトダイオード

光センサは基本的に、受光素子が受けた光を電気エネルギーに変換し、その電流を利用します。自然光を始め様々な光源に対応し、例えば赤外発光ダイオードを光源として受光素子と組み合わせた、フォトインタラプタといった光スイッチとも呼ばれる光センサがあります。いずれにしても、光センサの基部は受光素子であり、その代表的な素子としてフォトダイオードとフォトトランジスタがあります。これらのアプリケーションは多種多様で非常に広範囲です。

フォトダイオードとは

フォトダイオードは、最もシンプルな光－電気エネルギー変換素子です。その構造はp型n型の半導体のpn接合からなり、通常のpn接合整流ダイオードと基本的に同じです。V-I特性は、暗状態では通常のダイオードと同様（青曲線）ですが、フォトダイオードはpn接合が受光すると下図のようにV-I特性が下方にシフト（赤曲線）します。このとき、カソード側からアノード側に流れる逆電流が光電流となります。光電流は、ほぼ照度（入射光量）に比例します（右下のグラフ。RPMD-0100のデータシートから抜粋）。また、逆電流を出力とすることから、通常は逆バイアスで使用します。

フォトダイオードは一般的に、出力電流（光電流）がμA台と小さい、照度（入射光量）に対して出力電流の直線性が比較的高い、応答速度が速いといった特徴を持っています。

ロームのRPMD-0100は、分光感度λPを赤外領域（940nm typ）に設定した面実装タイプのフォトダイオードで、応答速度（tr/tf）が100ns（typ）と高速で、高速通信に適しています。また、750nm以下の可視光をカットする樹脂を使用しています。