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光通信工学 1. Photodiode：後半 光通信工学３１０－1 再結合発光：半導体が光る！ 電子拡散 ・・ ・・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・・・ p 電子拡散 障壁が低くなる 。。 。。。 。 。 。 。。。 。 。 。。。 正孔拡散 p 光子： 紙面前 n 。。。 。。 。。。 。 。 。 。 。。。 。 。。。 。 。。。 正孔拡散 p型からn型に電流 p ・・ ・・ ・ ・ ・・・ ・ ・ ・・ ・・ ・ ・ ・ ・ n 光子：紙面後 n p型からn型に電流 p n 光子 順バイアス • • • ＝ 障壁を下げる効果 電子が「そのまま」、p型半導体へ拡散 正孔が「そのまま」、n型半導体へ拡散 発光なし 順バイアス ＝ 障壁を下げる効果 • • • • • 接合部で電子と正孔が再結合 再結合発光：電子が正孔と結合して光エネルギーを放出 もともと存在している光があれば、誘導放出可能。 再結合発光回数が多ければ光は増幅。 反転分布はどこ？ 光通信工学３０９－2 レーザ領域 p-n接合：光吸収による効果 電流-電圧特性 電子・正孔対の生成 ・・・ ・・・ ・・ ・ ・ ・・ ・・ ・ ・ ・ ・ ・ 電子がダイオードか ら出る＝電流発生 p 。。。。 。。 。。 。 。 。。 。 。。。 。。。 n 順方向電流 光子：光エネル ギーの最小単位 順方向電圧が負 逆方向電圧 0 順方向 電圧 降伏電圧 省略 - + 拡散電位 p n 順方向電流が負 逆方向電流 光強度大 ほぼ比例 電子 電流（逆方向） p 1. 2. 3. 無バイアス ＝ 電流発生・電圧零、電流 ＝ 逆方向 電流の大きさ ＝ 光強度（エネルギー）に比例（入射光子数 に比例） 電子１個の励起 ＝ 光子１個を吸収 Anode 陽極 順方向電流：半導体レーザ 逆方向電流：Photodiode 但し、材料は多種（省略） n Cathode 陰極 光通信工学３０９－3 フォトダイオード（PD: Pohtodiode）の動作回路 電圧出力が欲しい：電圧増幅が可能 電流：向きに注意 電流-電圧特性 PD電圧 上から下 Anode 陽極 p n 電流：順方向 省略：本当は電圧増幅した いのですが。 0V 0V IO 0 Cathode 陰極 VR 逆電圧 印加のため VR 0 出力電圧 0 VR 0 PD電圧 RL 0V 明 入射光 強度変調 暗 時間 注目 IO 0 高 電流値 絶対値 VR RL 順方向電流 低 • • • I0 時間 通常、電圧増幅方式ではフォトダイオードに逆電圧を印加する。 もし、逆電圧印加がない場合、光強度と電圧が比例しない（非線形性） 回路的には、電圧増幅方式よりもトランスインピーダンス方式の方が雑音・応答速度で有利（電気回 路とラプラス変換の基礎知識が必要：省略） 光通信工学３０９－4 フォトダイオード（PD: Pohtodiode）の動作回路 電圧出力が欲しい：電圧増幅が可能 電流：向きに注意 電流-電圧特性 省略：本当は電圧増幅した いのですが。 Anode 陽極 p n VR VR 出力電圧 VR 0 電流 VR Cathode 陰極 VR 逆電圧 印加のため 0 PD電圧 RL 0V 明 入射光 強度変調 注目：PD電圧零 暗 時間 I0 高 VR RL 電流値 絶対値 低 • • • 時間 通常、電圧増幅方式ではフォトダイオードに逆電圧を印加する。 もし、逆電圧印加がない場合、光強度と電圧が比例しない（非線形性） 回路的には、電圧増幅方式よりもトランスインピーダンス方式の方が雑音・応答速度で有利（電気回 路とラプラス変換の基礎知識が必要：省略） 光通信工学３０９－5 フォトダイオード（PD: Pohtodiode）の動作回路 電圧出力が欲しい：電圧増幅が可能 電流：向きに注意 電流-電圧特性 PD電圧 上から下 Anode 陽極 p n 省略：本当は電圧増幅した いのですが。 VR 2 VR 2 出力電圧 VR 0 電流 VR 2 VR Cathode 陰極 VR 逆電圧 印加のため 0 PD電圧 RL 0V 明 注目：PD電圧 入射光 強度変調 暗 時間 I0 VR 2 RL 高 電流値 絶対値 低 • • • 時間 通常、電圧増幅方式ではフォトダイオードに逆電圧を印加する。 もし、逆電圧印加がない場合、光強度と電圧が比例しない（非線形性） 回路的には、電圧増幅方式よりもトランスインピーダンス方式の方が雑音・応答速度で有利（電気回 路とラプラス変換の基礎知識が必要：省略） 光通信工学３０９－6 フォトダイオード（PD: Pohtodiode）の動作回路 電圧出力が欲しい：電圧増幅が可能 電流：向きに注意 電流-電圧特性 順方向電流 入射光 Anode 陽極 p n 省略：本当は電圧増幅した いのですが。 IO 出力電圧 VR 0 電流 VR Cathode 陰極 VR 逆電圧 印加のため 0 PD電圧 RL 明 入射光 強度変調 暗 時間 1 RL 高 負荷曲線：傾き 電流値 絶対値 低 • • • 時間 I0 VR RL 負電流 矢印の向きと反対 もちろん：オームの法則 通常、電圧増幅方式ではフォトダイオードに逆電圧を印加する。 もし、逆電圧印加がない場合、光強度と電圧が比例しない（非線形性） 回路的には、電圧増幅方式よりもトランスインピーダンス方式の方が雑音・応答速度で有利（電気回 路とラプラス変換の基礎知識が必要：省略） 光通信工学３１０－7 フォトダイオード（PD: Pohtodiode）の動作回路 光照射するとどうなる？ 電流：向きに注意 電流-電圧特性 順方向電流 入射光 Anode 陽極 負荷曲線：傾き IO VR 0 出力電圧 1 RL 電流 VR Cathode 陰極 VR 逆電圧 印加のため 0 PD電圧 RL 電流変化 明 電流：動作点 負荷曲線との交点 入射光 強度変調 オームの法則 暗 時間 高 時間 I0 VR RL 負電流 矢印の向きと反対 電流値 絶対値 低 • • • 通常、電圧増幅方式ではフォトダイオードに逆電圧を印加する。 もし、逆電圧印加がない場合、光強度と電圧が比例しない（非線形性） 回路的には、電圧増幅方式よりもトランスインピーダンス方式の方が雑音・応答速度で有利（電気回 路とラプラス変換の基礎知識が必要：省略） 光通信工学３０９－8 参考資料：授業では省略 動作波長 断面図 波長特性 100 電子・正孔対の生成 透明 絶縁膜 。。。。 。。 。。 。 。 。。 。 。。。 。。。 p-n接合型 電流 フォトダイオードの動作波長 n層 n+層 陽電極 Anode 負荷 空乏層 陰電極 Cathode Ge 50 電流 0.4 0.8 1.2 1.6 波長（μm） 逆電圧 InGaAs：光通信波長帯域（1.3μm-1.55μm） ギャップよりも短波長であることが吸収の条件 光強度（入射光子数）とは無関係 吸収の条件：半導体のエネルギーギャップより入射光子のエネルギーが大きい E hc0 • p層 。 ・・ ・ 。・ ・ 。 ・・ ・ PINフォトダイオード：p層とn層の間に高抵 抗層（絶縁層：i層）をはさんだ構造で高速 動作可。参考文献：末田正「光エレクトロニ クス」p.213、昭晃堂 • InGaAs Si ・・・ ・・ ・ ・ ・・ ・・ ・ ・ ・ ・ ・ 量子効率（％） ・・・ 光子：エネルギーの最小単位（301） 約束：下ツキ「０」＝真空中 短波長の場合：表面吸収（p層）が顕著、p層からn層へ拡散する途中で再結合。光電 流を取り出せない。 光通信工学３０９－9
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