フォトダイオード

質問

フォトダイオードの光起電力効果を調べました。

光の入射強度とそのときのフォトダイオードの最大起電力を求めました。

そこから変換効率を求めると、光の入射強度によらず、変換効率はほぼ一定となりました。なぜなのでしょうか？

変換効率を求める式から考えてもわかりませんでした。

一定になることは式から求めれるのでしょうか？

回答No.3

snow16 · ベストアンサー

PD中で光はp型、n型の電極層にはさまれたi層で吸収されます。フォトンが１個吸収されると、１対の電子とホールが生成されて、電子は伝導帯を通ってn型電極へ、ホールは価電子帯を通ってp型電極に達し、電流出力を発生します。これがPDの基本動作原理であることは、良くご存じと思います。
PDのi層に入射した光は、i層中を伝搬しながら、単位長さあたりある一定の割合で吸収されていきます。この割合を吸収係数と呼びます。吸収係数aのi層の中を伝搬する光はexp(-ax)に比例して減衰していきますので、i層の厚みがdの場合には、量子効率は(1-exp(-ad))に比例することになります。いろいろ調べられたようですので、きっとこれもご存じと思います。
さて、ここで上に書いたPDの動作状態をもう一度見直してみると、「単位長さあたりある一定の割合で吸収される」限りにおいては、量子効率は光の入力パワーに依存せず一定になることに気付きます。これが、光の入力パワーが低い領域において量子効率が一定であることの理由です。
一方、「単位長さあたりある一定の割合で吸収され」ない場合はどんな場合かというと、光の入力パワーが大きくて、伝導帯や価電子帯に生成されたキャリアがなかなか電極にはけていかない状態です。キャリアが残っていると、電子とホールを対生成できないため、光を吸収できなくなります。このため、光の入力パワーを大きくすると出力は飽和します。一般のPDに用いる半導体では、価電子帯の重いホールの寄与が大きく、その移動度が低いためにこうした現象が生じます。

お礼

とてもわかりやすい説明ありがとうございました。

本やネットで調べて、わかっていることなのに、そこから発展させることができていませんでした。これからはそのような点に気をつけて勉強をしていきます。ありがとうございました。

回答No.2

snow16

質問の文章から、何が疑問のポイントだか読み取れませんでした。
A. 光の入力パワーが低い領域において量子効率が一定であることが腑に落ちない。
B. 光の入力パワーをPDの飽和出力レベルまで上げたつもりなのに、量子効率が下がらないのが腑に落ちない。
のどちらが質問の趣旨でしょうか？

Aならば、入力パワーが飽和出力レベルよりも十分低ければ、変換効率がほぼ一定になるのは、PDの構造や動作原理から考えてみれば理解できると思います。
Bだとすると、光が十分にPDに入力されていないことが考えられ、入力パワーの測定法やPDへの光結合に不具合があるなどの可能性があります。その場合、量子効率が1よりも著しく悪化するので、それを確認すればわかりますが。

補足

解答ありがとうございます。　

光の入力パワーが低い領域において量子効率が一定であることが腑に落ちない。

というのが私の疑問に思っていることなのです。
造や動作原理というものも考えてもわかりません・・・そして、なぜ入力パワーを増やしていくと、飽和するのか　ということもわかっていません。

いろいろ本などを調べてみたのですが、載っていませんでした。お願いします。教えてください。

回答No.1

egg2006

入射強度に比例するのではなく、波長に比例してるんじゃないでしょうか？（電子は、E=ｈνのエネルギーを受け取るから？）
違ってたらすみません。。。