マウント済みフォトダイオード

概要
フォトダイオードチュートリアル
回路例
実験データ
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フォトディテクタ一覧

Mounted and Unmounted Detectors
Unmounted Photodiodes (150 - 2600 nm)
Calibrated Photodiodes (350 - 1800 nm)
Mounted Photodiodes (150 - 1800 nm)
Thermopile Detectors (0.2 - 15 µm)
Photoconductors (1 - 4.8 µm)
Photovoltaic Detectors (2.0 - 10.6 µm)
Pigtailed Photodiodes (320 - 1000 nm)

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バイアスモジュールPBM42を使用して外部の逆バイアス電圧をフォトダイオードSM1PD2Aに印加

当社では、SM05シリーズおよびSM1シリーズの外ネジ付きチューブに取り付けられたGaP、Si、InGaAsまたはGeフォトダイオードをご用意しています。フォトダイオードの電気出力は、標準のSMAコネクタ(SM05PDシリーズ)またはBNCコネクタ (SM1PDシリーズ)を介して測定回路に簡単に接続することができます。

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SM1ネジ付きマウント済みフォトダイオードをBNCケーブルを使ってベンチトップ型フォトダイオード増幅器PDA200Cに接続

このページでご紹介しているマウント済みフォトダイオードは、ベンチトップ型フォトダイオード増幅器PDA200C、および当社の光電流測定モジュールとお使いいただけます。フォトダイオードにはAタイプ(カソード接地)とBタイプ(アノード接地)の配置があります。各製品のピンコードは下記に掲載してあります。いずれのモデルもパルス源またはCW光源の測定に適しています。本体の絶縁された外ネジを利用すれば、これらのフォトダイオードは、当社のあらゆるSM05およびSM1取付け用アダプタと接続可能になります。

各モデルの詳細については下表をご参照ください。またこれらのフォトダイオードは校正されていない点にご留意ください。ただし、ご要望があればNISTトレーサブルな校正を行うことができます。詳細は当社までお問い合わせください。また、当社ではマウント無しの校正済みフォトダイオードもご提供しています。

なお、ディテクタの検出部のエッジ部分の不均一性が、不要な静電容量の蓄積や抵抗効果を発生させてフォトダイオードからの出力に対する時間ドメインの応答性を歪ませる場合があるので、その点にはご注意ください。このような現象を防ぐためにも、フォトダイオードへの光が検出部の中心にしっかりと入射するように調整していただくことをお勧めしています。これはディテクタ素子の前に集光レンズまたはピンホールを配置することで実行できます。

このフォトダイオードに外部バイアス電圧を印加する際にお使いいただけるバイアスモジュールPBM42(下記参照)をご用意しています。PBM42は、このページでご紹介しているすべてのフォトダイオードのアダプタに対応しています(右図参照)。

フォトダイオードの飽和限界、ノイズフロア、および受光面の均一性(または感度のばらつき)、暗電流の温度依存特性などに関して当社が実施した実験の結果は「実験データ」タブでご覧いただくことができます。「フォトダイオードチュートリアル」タブでは、フォトダイオードの動作、関連用語そして理論など一般的な情報がご覧いただけます。

当社では、Siフォトダイオードの応答の一様性を向上させるスペクトル特性平坦化フィルタもご用意しています。詳細はこちらをご覧ください。

フォトダイオードのチュートリアル

動作原理

接合型フォトダイオードは、通常の信号ダイオードと似た動作をする部品ですが、接合半導体の空乏層が光を吸収すると、光電流を生成する性質があります。フォトダイオードは、高速なリニアデバイスで、高量子効率を達成し、様々な異なる用途で利用することが可能です。

入射光の強度に応じた、出力電流レベルと受光感度を正確に把握することが必要とされます。図1は、接合型フォトダイオードのモデル図で、基本的な部品が個別に図示されており、フォトダイオードの動作原理が説明されています。

Equation 1
Photodiode Circuit Diagram
図1: フォトダイオードの概略図

フォトダイオード関連用語

受光感度
フォトダイオードの受光感度は、規定の波長における、生成光電流 (I_PD)と入射光パワー(P)の比であると定義できます:

Equation 2

動作モード(Photoconductive vs. Photovoltaic)
フォトダイオードは、Photoconductiveモード(逆バイアス) またはPhotovoltaicモード(ゼロバイアス)で動作できます。モードの選択は、使用用途で求められる速度と、許容される暗電流(漏れ電流)の量で決まります。

Photoconductive
Photoconductiveモードでは、逆バイアスが印加されますが、これが当社のDETシリーズディテクタの基本です。回路で測定できる電流量は、デバイスが曝される光の量に対応し、測定される出力電流は、入射される光パワーに対し直線的に比例します。逆バイアスを印加すると、空乏層を広げて反応領域が広くなる一方で、接合静電容量が小さくなり、明瞭な線形応答が得られます。このような動作条件下では、暗電流が大きくなりがちですが、フォトダイオードの種類によって、暗電流を低減することもできます。
(注：当社のDETディテクタは逆バイアスで、順方向バイアスでは動作できません)

Photovoltaic
Photovoltaicモードでは、フォトダイオードはゼロバイアス状態です。デバイスからの電流が制限され、電位が蓄積されていきます。このモードでは光電池効果が引き出されますが、これが太陽電池の基本です。光電池モードでは、暗電流量は最小限に抑制されます。

暗電流
フォトダイオードにバイアス電圧が付加されている時に流れる漏れ電流のこと。 Photoconductiveモードで使用する場合に暗電流の値は高くなりがちで、温度の影響で変動します。暗電流は、温度が10°C上昇するたびに約2倍となり、シャント抵抗は6°C の上昇に伴い倍になります。高いバイアスを付加すれば、接合静電容量は減少しますが、暗電流の量は増大してしまいます。

暗電流の量はフォトダイオードの材料や検出部の寸法によっても左右されます。ゲルマニウム製のデバイスでは暗電流は高くなり、それと比較するとシリコン製のデバイスは一般的には低い暗電流となります。下表では、いくつかのフォトダイオードに使用される材料の暗電流の量と共に、速度、感度とコストを比較しています。

Material	Dark Current	Speed	Spectral Range	Cost
Silicon (Si)	Low	High Speed	Visible to NIR	Low
Germanium (Ge)	High	Low Speed	NIR	Low
Gallium Phosphide (GaP)	Low	High Speed	UV to Visible	Moderate
Indium Gallium Arsenide (InGaAs)	Low	High Speed	NIR	Moderate
Indium Arsenide Antimonide (InAsSb)	High	Low Speed	NIR to MIR	High
Extended Range Indium Gallium Arsenide (InGaAs)	High	High Speed	NIR	High
Mercury Cadmium Telluride (MCT, HgCdTe)	High	Low Speed	NIR to MIR	High

接合静電容量
接合静電容量(C_j)は、フォトダイオードの帯域幅と応答特性に大きな影響を与えるので、フォトダイオードの重要な特性であると言えます。ダイオード部分が大きいと、接合容量が大きくなり、電荷容量は大きくなります。逆バイアスの用途では、接合部の空乏層が大きくなるので、接合静電容量が低減し、応答速度が速くなります。

帯域幅と応答性
負荷抵抗とフォトディテクタの接合静電容量により帯域幅が制限されます。最善の周波数応答を得るには、50Ωの終端装置を50Ωの同軸ケーブルと併用します。接合静電容量(C_j)と負荷抵抗値(R_LOAD)を用いて、帯域幅(f_BW)と立ち上がり時間応答(t_r)の概算値が得られます：

Equation 3

ノイズ等価電力
ノイズ等価電力(NEP)とは、信号対雑音比が1であるときに生成されるRMS信号電圧の値です。NEPによって、ディテクタが低レベルの光を検知する能力を知ることができるので、この数値は便利です。一般には、NEPはディテクタの検出部の面積増加に伴って大きくなり、下記の数式で求めることができます:

Photoconductor NEP

この数式において、S/Nは信号対雑音比、Δf はノイズの帯域幅で、入射エネルギ単位はW/cm²となっています。詳細は、当社のホワイトペーパ「NEP – Noise Equivalent Power」をご参照ください。

終端抵抗
負荷抵抗は、オシロスコープでの測定を可能にするために、生成された光電流を電圧(V_OUT)へ変換して用いられます:

Equation 4

フォトダイオードの種類によっては、負荷抵抗が応答速度に影響を与える場合があります。最大帯域幅を得るには、50Ωの同軸ケーブルを使用して、ケーブルの反対側の終端部で50Ωの終端抵抗器の使用を推奨しています。このようにすることで、ケーブルの特性インピーダンスとマッチングできて共鳴が最小化できます。帯域幅が重要ではない特性の場合は、R_LOADを増大させることで、所定の光レベルに対して電圧を増大させることができます。終端部が不整合の場合、同軸ケーブルの長さが応答特性に対して大きな影響を与えます。したがってケーブルはできるだけ短くしておくことが推奨されます。

シャント抵抗
シャント抵抗は、ゼロバイアスフォトダイオード接合の抵抗を表します。理想的なフォトダイオードでは、シャント抵抗は無限大となりますが、実際の数値はフォトダイオードの材料の種類によって、10Ωのレベルから数千MΩの範囲となる場合があります。例えばInGaAsディテクタのシャント抵抗は、10MΩのレベルですが、GeディテクタはkΩのレベルです。このことは、フォトダイオードの電流雑音に大きく影響を与える可能性があります。しかしながらほとんどの用途では、このような高抵抗値の影響は小さく、無視できる程度です。

直列抵抗
直列抵抗は半導体材料の抵抗値で、この低い抵抗値は、通常は無視できる程度です。直列抵抗は、フォトダイオードの接触端子とワイヤの接合部で発生し、主にゼロバイアスの条件下でのフォトダイオードの直線性の評価に用いられます。

一般的な動作回路

Reverse Biased DET Circuit
図2: 逆バイアス回路(DETシリーズディテクタ)

上図の回路はDETシリーズのディテクタをモデル化したものです。ディテクタは、適用される入射光に対して線形の応答を生成するために逆バイアス状態になっています。ここで生成された光電流の量は、入射光に依存し、負荷抵抗を出力端子に接続すると、波形をオシロスコープで確認することができます。 RCフィルタの機能は、出力に雑音を載せてしまう可能性のある供給電力からの高周波雑音のフィルタリングです。

Amplified Detector Circuit
図3: 増幅ディテクタ回路

高利得用途でアンプとともにフォトディテクタを使用できます。動作時には、PhotovoltaicまたはPhotoconductiveモードのいずれも選択可能です。この能動回路はいくつかの利点があります：

Photovoltaicモード：オペアンプで、点Aと点Bの電位が同じに維持されているので、フォトダイオードでは回路全体ではゼロボルトに保たれています。このことで暗電流は発生しなくなります。
Photoconductiveモード: フォトダイオードは逆バイアス状態であるので、接合静電容量を低下させながら帯域幅の状態を改善します。ディテクタの利得は、フィードバック素子(R_f)に依存します。ディテクタの帯域幅は、下記の数式で計算することができます:

Equation 5

GBPは利得帯域幅積であり、接合静電容量C_Dは増幅器静電容量と利得静電容量との和です。

チョッパ入力周波数の影響

光導電体は時定数以内では一定の応答となりますが、PbS、 PbSe、HgCdTe (MCT)、InAsSbなどのディテクタにおいては、1/fゆらぎ(チョッパ入力周波数が大きいほどゆらぎは小さくなる)を持つため、低い周波数の入力の場合は影響が大きくなります。

低いチョッパ入力周波数の場合は、ディテクタの受光感度は小さくなります。周波数応答や検出性能は下記の条件の場合において最大となります。

下の図は、当社のマウント済みダイオードと組み合わせて使用できる電気回路例です。 SM05ネジ付き筐体が付いたフォトダイオードはSMAコネクタ型、SM1ネジ付き筐体が付いたフォトダイオードはBNCコネクタ型です。下の図1では、カソード接地のフォトダイオードの回路例を示しています。これは、正電圧出力の逆バイアス配置です。図2では、アノード設置のフォトダイオードの回路例を示しています。この例では、電源の極性は逆になっていますのでご注意ください。図2も逆バイアス配置ですが、負電圧出力です。

図1および図2で示されている配置の大きな違いは、出力電圧の範囲です。図1の出力は0～+Vボルトですが、図2は-V～0ボルトです。フォトダイオード回路、値、理論についての詳細は、「フォトダイオードチュートリアル」タブをご参照ください。

SM05およびSM1ネジ付きマウント済みフォトダイオード、カソード接地

図 1

SM05およびSM1ネジ付きマウント済みフォトダイオード、アノード接地

図 2

まとめ
こちらのタブでは当社が提供するフォトダイオードの性能に関して実施した実験をまとめています。それぞれのセクションは独立した実験について記載しており、下の各ボックスをクリックするとご覧いただけます。「フォトダイオードの飽和限界とノイズフロア」では、温度、抵抗率、逆バイアス電圧、応答特性、システムの帯域幅などがフォトダイオードの出力ノイズに与える影響を調べています。「フォトダイオードの感度均一性」では、フォトダイオードの材料または入射光の波長を変えたとき、感度の均一性がどのように変化するかを調べています。また、このセクションでは、同一型番製品の複数のサンプルにおける感度均一性のバラつきについてもご覧いただけます。「暗電流の温度特性」および「雑音等価電力(NEP)の温度特性」では、それぞれ暗電流またはNEPが温度によってどのように変化するか、そしてそれが測定結果にどのような影響を与えるかを記述しています。「ビームサイズとフォトダイオードの飽和」では、フォトダイオードの飽和点が入射光のビームサイズによってどのように変化するかを示し、それらの結果を説明するために複数の理論モデルについて調べています。「入射光パワーに対する有効逆バイアス電圧特性 」では、入射光パワーに対するフォトダイオードの電子回路の有効逆バイアス電圧の変化を調べ、変化を予想するために信頼できるモデルを検証しました。

フォトダイオードの飽和限界とノイズフロア

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図1. フォトダイオードの応答曲線。
飽和限界とノイズフロアの概要を表示。

ここでは当社のシリコンフォトダイオードの飽和限界とノイズフロアの測定結果をご紹介しています。フォトダイオードはすべて同じように機能しますが、フォトダイオードのノイズフロアと飽和限界はセンサ温度、抵抗率、逆バイアス電圧、応答特性、そしてシステムの帯域幅など多くのパラメータの影響を受けます。この実験ではシリコンフォトダイオード光検出システムにおける逆バイアス電圧と負荷抵抗の影響について調べました。逆バイアスの増加により飽和限界値は上がりましたが、ノイズフロアへの影響はわずかでした。負荷抵抗を小さくするとノイズフロアは測定システムのノイズレベルまで下がりましたが、飽和限界値も下がりました。これらの結果は逆バイアス電圧および負荷抵抗を選択する上で考慮すべき点を示しており、また、検出システムを構成する際にはすべての部品から生じるノイズを考慮すべきであることを示しています。

実験にはシリコンフォトダイオードFDS100を使用しました。光源には光パワーが0～50 mWのファイバーピグテール付き半導体レーザからのコリメート光を使用しています。コリメート光はまずビームスプリッタに入射しますが、大部分の光は透過して試験対象のフォトダイオードに入射するようにし、反射された残りの光は参照用のパワーセンサに入射しました。この状態で負荷抵抗と逆バイアス電圧を様々に変化させ、フォトダイオードの応答特性を評価しました。

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右ならびに下のプロット図では、様々なテストに対する測定結果をまとめています。これらのグラフにより、様々な逆バイアス電圧ならびに負荷抵抗下でのフォトダイオードの線形応答性、ノイズフロア、そして飽和限界の変化がご覧いただけます。図1は5 Vの逆バイアス電圧ならびに10 kΩの負荷抵抗におけるフォトダイオードの応答特性です。出力電圧が逆バイアス電圧に近づくと、フォトダイオードの応答は上限値で飽和します。応答の下限値であるノイズフロアは、暗電流ならびに負荷抵抗の熱雑音(ジョンソンノイズ)によるものです。図2は、1 kΩの負荷抵抗のもとで逆バイアス電圧を様々に変えた時のフォトダイオード出力の測定結果をまとめています。逆バイアス電圧を(仕様値内で)増加させると飽和限界値が上がることを示しています。図3では5 Vの逆バイアス電圧のもとで様々に負荷抵抗値を変えたときのフォトダイオード出力電圧の測定結果です。負荷抵抗を増やすと、電圧応答の傾斜が急峻になることを示しています。図4では0 Vの逆バイアス電圧のもとで、負荷抵抗値を様々に変えたときのノイズフロアの測定結果をまとめています。負荷抵抗が大きくなるとノイズフロアも上昇します。なお、1 kΩのデータでは、測定システム内の電圧ノイズによりジョンソンノイズの理論値以上の値が測定されました。5 Vの逆バイアス電圧でのノイズフロアの変化は全体的に僅かでした。この実験に使用された装置や実験結果のまとめはこちらをクリックしてご覧ください。

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図2. 出力電圧の逆バイアス電圧依存性

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図4. 様々な負荷抵抗における応答特性

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図3. 様々な負荷抵抗におけるノイズフロア

フォトダイオードの感度均一性

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様々なフォトダイオードの感度測定に使用したセットアップ

はじめに
フォトダイオードの出力信号は受光感度(入射光パワーとそれによって生成される光電流との比)の関数です。受光感度の単位はamps/wattで表されます。入射光のパワーがフォトダイオードの動作範囲内の場合には、一般に受光感度は一定と仮定しますが、受光面内で変化する場合があります。この受光面内での2次元的な変化を感度均一性と定義します。

フォトダイオードにはそれぞれ仕様書に記載されている動作範囲があります。動作波長範囲内の光子は、結晶が吸収するのに適したエネルギを有しており、電子を励起してフォトダイオードを活性化します。感度均一性は、入射光の波長が動作範囲より長いか短いかによって異なる特性を示します。波長がフォトダイオードの動作範囲より短い場合には、光子のエネルギが大きすぎて、一般には結晶表面近くで吸収されてしまいます。そのためフォトダイオードを活性化することができず、受光感度が低下するとともに、加熱することにもなります。この感度低下の程度は、主に結晶表面の状態によって決まります。波長がフォトダイオードの動作範囲より長い場合には、光子のエネルギが小さすぎて、通常は結晶と相互作用せずに透過するか、あるいは結晶を加熱する原因になります。欠陥や結晶のミスアライメントがあると、この低エネルギの光子が受光感度に影響し、誤った測定結果につながる恐れがあります。

この実験では半導体材料や波長によって感度均一性がどのように変化するか、また、同一製品においてロット毎に感度にどのようなバラつきがあるのかを示しています。

手順
フォトダイオードの受光感度の向上を目指して、当社のSi、Ge、InGaAsならびにGaPフォトダイオードのピーク波長における典型的な均一性について調べました。波長による違いについては、材料の異なる3種類のフォトダイオードを選択し、3種類の波長で測定しました。最後に、ロット毎のバラつきについては、8個のフォトダイオードSM1PD2Aについてピーク波長での試験を行いました。測定のセットアップにはコリメータRC12APC-P01を使用し、複数の波長で実験を実施しております。ディテクタに入射するビーム径の制御には、焦点距離が150 mmのレンズとステージLTS150を使用しました。ビームの生成には当社のスーパールミネッセントダイオード(SLD)シリーズを使用しました。例外として405 nmでの測定では、ベンチトップ型レーザ光源S3FC405を使用しました。各フォトダイオードを走査するビーム径は、それぞれの受光面に合わせて決定しました。フォトダイオードの受光面を含む領域を60 x 60のグリッドに分割し、約3600箇所の測定を実施しました。すべてのフォトダイオードで同様の分解能が得られるよう、使用したビームサイズはフォトダイオードにより50 µm～500 µmと様々です。この集光ビームの下では、ダイオードを移動するために電動ステージLNR50Sを2台使用しています。

まず、波長を各フォトダイオードの典型的な感度曲線のピーク付近に設定し、走査を行いました。このとき受光面全体を含むように走査しているので、感度の位置依存特性を得ることができます。感度均一性の波長依存特性を見るために、Si、GeならびにInGaAsフォトダイオードの中から1つずつ抽出し、さらに2つの波長でテストしました。下記の走査結果はプロット図の原点(受光面の中心に対応)における感度で規格化しており、0.25%刻みの等高線図で表示しています。* プロット図をクリックすると図は拡大され、スケールバーが表示されます。なお、SM1PD5Aについては販売を終了しておりますが、プロット図はGeフォトダイオードの例として掲載しています。

実験結果についての制限
こちらで示しているのは、1個のダイオードの走査結果に基づく典型的な値です。個々のダイオードについて測定を繰り返すことはできますが、感度は製造ロットにより異なる場合もあるため、感度均一性を保証するものではありません。したがって、お届けするフォトダイオードの受光感度は典型値と若干異なる場合がございます。

まとめ
収集されたデータは、GeとGaPのフォトダイオードの方がSiとInGaAsのフォトダイオードに比べて感度の不均一性が大きいことを示しています。波長の種類を増やしてテストした3種類については、3種類ともピーク波長付近での均一性の方が他の波長に比べて良いことが分かります。ロット毎の感度均一性はほぼ同様な構造を示し、光の感度に悪影響を与える異常な構造は僅かでした。

*SM05PD7Aは0.5%刻み、SM1PD2Aは0.2 %刻みの等高線図になっています。

結果
試験を行ったフォトダイオードの等高線図は下記でご覧いただけます。右端の「More [+]」をクリックすると図が表示されます。また、「Less [-]」をクリックすると図を表示しない状態に戻すことができます。

ピーク感度波長における感度均一性

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GaP	Si	InGaAs	Ge

様々な波長における感度均一性

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Si (SM1PD1A)	405 nm	830 nm (Peak Wavelength)	1064 nm	Responsivity Plot
Si (SM1PD1A)
InGaAs (SM05PD5A)	830 nm	1064 nm	1550 nm (Peak Wavelength)	Responsivity Plot
InGaAs (SM05PD5A)
Ge (SM1PD5A)	830 nm	1064 nm	1550 nm (Peak Wavelength)	Responsivity Plot
Ge (SM1PD5A)

フォトダイオードSM1PD2Aのピーク感度波長におけるロット毎の安定性

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暗電流の温度特性

いくつかのマウント無しディテクタについて、暗電流の温度特性を測定しました。暗電流とは、下記に説明するように光が入射されていないときのpn接合型フォトディテクタに流れる比較的小さい電流です。ここでは、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ガリウムリン(GaP)、そしてインジウムガリウムヒ素(InGaAs)の逆バイアス型フォトダイオードについて、25 °C～約55 °Cの温度範囲で測定しました。

図1：pn接合型フォトダイオードの電流-電圧特性

pn接合型フォトダイオードの電流-電圧特性

pn接合型フォトダイオードの電流-電圧特性は、図1に示すように順方向バイアスと逆方向バイアスの電圧でそれぞれ特徴があります。pn接合フォトダイオードに逆バイアス電圧をかけた場合、ダイオードにかかる電位差は電流の流れる方向に対して逆方向になります。逆バイアス型フォトダイオードに対して光が入射していないときには、電流が流れないのが理想です。

しかし実際にはフォトダイオードの半導体材料内部でのランダムプロセスにより、常に電流キャリア(電子と正孔)が生成され、それにより電流が発生します。このような電流の発生プロセスは、電子と正孔の光生成によるものではありません。それらの多くは半導体材料内部の熱エネルギによって発生します[1]。この暗電流は一般的には小さいですが、フォトダイオードに逆バイアスをかけたときには光が照射されていなくても存在します。暗電流の大きさはフォトダイオードの素材構成によって異なり、熱的な発生プロセスの効率はディテクタのセンサーヘッドに使用される半導体の種類と結晶品質に依存します。暗電流は、フォトダイオードの温度が上昇にするにつれて大きくなることが予測されます。

フォトダイオードに光が照射されると、入射光により発生した電流(光電流)が暗電流に重畳されます。光電流のキャリアは入射光子のエネルギによって生成されます。照射される光の強度がある閾値を超えると、光電流は暗電流よりも大きくなります。光電流が暗電流よりも大きい場合には、光電流の大きさは全電流を測定した後、暗電流を差し引くことによって求められます。一方、光電流が暗電流より小さい場合には、その検出は不可能です。そのため、フォトダイオードの暗電流は最小化するのが望ましいことになります。

フォトダイオードに逆電圧をかけたとき、便宜上、ここまで暗電流と光電流は電圧に依存しないものとして述べてきましたが、実際には完全に電圧に依存しないわけではありません。ダイオードに光が照射されているかどうかにかかわらず、逆バイアス電圧が上昇するにつれて電流は増加します。また、逆バイアス電圧がある閾値を超えるとフォトダイオードは降伏し、急激に大きい電流が流れてダイオードが恒久的に損傷する可能性があります。

実験:筐体付きフォトダイオードの暗電流の測定

4つの代表的なマウント無しディテクタ(SiディテクタFDS1010、GeディテクタFDG50、GaPディテクタFGAP71、InGaAsディテクタFGA10)について、その暗電流を25 °C～約55 °Cの温度範囲で測定しました。

DET in Nested-Box Test Fixture, Both Covers Open, Key Parts Labeled

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図2：カバーを外し、FGA10を設置した入れ子式金属ボックスの試験冶具。
どちらの箱も内側は黒色の断熱材で覆われています。
A:サーミスタ、B: FGA10、C: BNC-BNCフィードスルー、D: 外側のボックス、E: 内側のボックス、F:BNC-Triaxフィードスルー、G:BNC-BNCフィードスルー

Current Diagram Temperature Controller and Resistive Foil Heater

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図4: ホイルヒータ、温度コントローラTED8040、そしヒータを流れる電流を制御する2つの整流ダイオードを含む電子回路(本文参照)。

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図3: 測定用セットアップ
上段はカスタム仕様の温度チャンバ。下段はPRO8000およびTED8040を含む温度制御機器。

実験のセットアップ
この実験セットアップでは、フォトダイオードに一定の逆バイアス電圧を供給することや、ディテクタの温度制御、ディテクタに対する遮光などに留意し、また測定電流が電波障害(EMI)の影響を受けないように外部と絶縁してディテクタとピコアンメータKeithley 6487を接続しました。ディテクタの暗電流はnAオーダの場合もあり、正確な測定のためにはこれらの条件を制御することが重要です。

ディテクタは2つの入れ子式アルミニウム製ボックスで囲っています(図2はカバーを外した状態です)。1つのボックスのみでフォトダイオードを遮光することはできますが、実験ではEMIを遮断するために外側にもボックスを配置しています。ディテクタは内側のボックス内にあり、アンメータKeithley 6487と電気接続されています。ピコアンメータは5 Vの逆バイアスを供給し、出力電流信号を受信します。ピコアンメータとフォトダイオード間の電気信号は、複数のケーブルとフィードスルーを介して2つのボックスを通過します。5 Vのバイアス電圧は、2つの金属製ボックスの壁の中にある同軸ケーブルとBNC-BNCフィードスルーを介してフォトダイオードに接続されています。フォトダイオードからの電流信号ラインは、内側のボックスの壁の中に組み込まれているBNC-TriaxフィードスルーのBNC端子に接続されています。信号は外側のボックス内のTriaxおよびTriax-Triaxフィードスルーを通過し、ピコアンメータKeithly 6487に向かいます。同軸ケーブルは遮蔽性能が低く、それを使用してピコアンメータへ信号を送るときにはディテクタからの信号にEMI源からのノイズが混入する場合があるため、Triaxケーブルが使用されています。外側のボックスは内側のボックスをEMIから遮蔽するので、信号がディテクタからBNC-Triaxフィードスルーに移動する際に発生するノイズは低減されます。

実験中のフォトダイオードの温度は、サーミスタを用いて連続的にモニタしました。サーミスタは熱伝導テープでFDG50、FGAP71、FGA10のTO Canに隙間なく固定されています。FDS1010のフォトセンサはセラミック製の基板に取り付けられています。実験の際、サーミスタは基板の裏側にテープで固定しました。サーミスタと温度ロガーTSP01間の電気的接続にはBNCケーブルを使用し、BNC-BNCバルクヘッドフィードスルーを通じて入れ子式ボックスの外へ信号を取り出し、カスタム仕様のBNC-フォノジャックケーブルを使用して温度ロガーに接続しました。

この試験には標準品の筐体XE25C9をベースにしたカスタム仕様の温度チャンバが使用されました。温度チャンバは図3の上段に表示されています。筐体は底面と4つの壁を有し、内側と外側の全面に絶縁体が付いています。筐体の蓋はハードボードで作られており、XE25シリーズレールで縁取られています。ハードボードの内側には絶縁体が付いています。XE25C9の筐体の壁には6個のホイルヒータが装着され、6個の熱電冷却(TEC)コントローラTED8040を取り付けたPRO8000(図3の下段に設置)によって作動します。TED8040はそれぞれヒータおよびチャンバ内に取り付けられたサーミスタに接続されています。サーミスタから読み取った値をもとにヒータ電流が決定されます。チャンバはアクティブには冷却されません。その代りにヒータを駆動する電流を止め、さらにオプションとしてチャンバの蓋を開けて冷却します。

TED8040ユニットはTECに接続可能です。電流をある方向に流すと熱が発生し、それと逆方向に流すと冷却されます。このため、筐体の温度が設定値を超えた場合、実験セットアップ内のTED8040ユニットは駆動電流を切断することはしません。その代りに電流を逆方向に流し、冷却を行います。これに対し、ホイルヒータは電流の流れる方向に関わらず熱を発生します。駆動電流をヒータから迂回させるために、2つの整流ダイオードを有する電子回路(図4参照)が設計・内蔵されています。整流ダイオードは電流を1方向にのみ流します。サーミスタに表示される温度が設定よりも低い場合、電流は赤い矢印の方向に流れてヒータを通過し、熱が発生します。筐体の温度が設定よりも高くなった場合、コントローラTED8040は電流の方向を逆向きにし、青い矢印の方向に流れるようにします。この状態では、回路内の電流はヒータの方向へは流れず、チャンバは冷却されます。

実験結果
図5は、SiディテクタFDS1010、GeディテクタFDG50、GaPディテクタFGAP71、InGaAsディテクタFGA10で測定された暗電流のグラフです。データは、25 °C～55 °Cの温度下(図6の青い領域)において連続して取得されました。図6は実験中に測定されたフォトダイオードの温度変化の代表的な例です。フォトダイオードの温度プロファイルは、温度の上昇、その後徐々に最高温度への到達、そして温度の下降というように変化します。図5で示されているデータは、25 °C～55 °Cの間で測定された全ての暗電流です。測定のタイミングは異なりますが、電流は同じ温度において測定されています。

図5のデータ曲線は、測定された暗電流がフォトダイオードの構成材料によって異なることを示しています。暗電流値が低い順に：

GaPディテクタFGAP71(暗電流値は最小)
InGaAsディテクタFGA10
SiディテクタFDS1010
GeディテクタFDG50(暗電流値は最大)

最大値は最小値よりも6桁ほど大きくなっています。どのフォトダイオードも、温度が上昇すると暗電流も増加しています。グラフのひし形の点は25 °Cでの各ディテクタの暗電流の仕様値です。これらの点は25 °Cでの暗電流の最大値を示しています。各ダイオードは25 °Cではこの値よりも小さい値でなければなりませんが、25 °Cよりも高い温度ではこの仕様値よりも大きくなる場合があります。

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図5: 4つのマウント無しフォトダイオードで測定された暗電流。
ひし形のデータ点は25 °Cでの各ディテクタの暗電流の仕様値です。

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図6: チャンバ内の環境で制御された代表的なフォトダイオードの温度変化。
暗電流は25 °C～55 °C(青い領域)で測定し、その値は図5にプロットしています。

実験結果についての制限事項
測定はディテクタの種類毎に1台を用いて実施しており、一般的な傾向を示すことを目的としております。よって特定のダイオードの仕様として捉えるものではありません。測定された暗電流はバイアス電圧や負荷抵抗の温度依存性、その他の様々な要因に影響されます。測定に対するそれらの影響を抑制するために、必要な5 Vの逆バイアスを供給するアンメータKeithly6487を使用するなどの工夫をしています。アンメータを使用することにより、温度依存性があるかもしれない負荷抵抗器が不要になりました。サーミスタはできる限り半導体センサの近くに配置しましたが、直接センサには接触していません。そのため、測定温度と実際の半導体材料の温度に差があるかもしれません。暗電流は環境チャンバの温度を連続的に変化させて測定しました。この実験では湿度は制御されていません。

[1] J. Liu, Photonic Devices. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2005

ノイズ等価パワー(NEP)の温度特性

いくつかのマウント無しフォトディテクタについて、ノイズ等価パワー(NEP)温度特性を測定しました。下のセクションで説明しているように、NEPはフォトディテクタの最小感度を示す一般的な測定基準です。ここでは、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ガリウムリン(GaP)、そしてインジウムガリウムヒ素(InGaAs)の逆バイアスされたフォトダイオードについて、25 °C～55 °Cの温度範囲で測定しました。

ノイズ等価パワー(NEP)

NEPの最も一般的な定義は、「1 Hzの出力帯域幅において信号対雑音比(SNR)が1となる入力信号のパワー」です。[1] 従って、NEPを求めるにはまず、フォトダイオードの最小ノイズを知る必要があります。光学信号をブロックしても、ディテクタ自体から発生したノイズはまだ存在します。フォトダイオードのノイズの主な原因としては、暗電流によるショットノイズとシャント抵抗による熱ノイズの2つがあります。

暗電流は、デバイスを流れる比較的小さな電流で、入射光がない状態でも存在します。暗電流についての詳細は「暗電流の温度特性」セクション内でご覧いただけます。ショットノイズは、電荷キャリアの量子化特性によって発生します。ディテクタに光が入射されていない場合は、公式を用いてディテクタの暗電流を算出することで決定できます。[2]

ここでi_sはショットノイズ、I_dは暗電流、qは電荷、f_BWは帯域幅です。帯域幅は別のフォトダイオードと比較できるように1 Hzに設定します。

熱ノイズつまりジョンソンノイズは、電荷キャリアのランダムな熱運動によるものです。熱ノイズは装置の抵抗素子によってのみ発生します。フォトダイオードディテクタの場合、シャント抵抗を考慮に入れる必要があります。シャント抵抗はゼロバイアスのフォトダイオードのpn接合における抵抗です。言い換えると、ゼロ電圧地点におけるIV特性カーブの傾きの逆数です。ゼロ点での勾配を正確に算出することは難しいため、V = ±10 mVにおける電流を測定して勾配を算出するという手法が業界で一般的に認められています。これにより、シャント抵抗による熱ノイズR_SHは下記の式で表されます:

ここでi_tは熱ノイズ(電流として表されます)、k_Bはボルツマン定数、Tは温度、 R_SHはシャント抵抗、f_BWは帯域幅です。

ノイズの総量i_totalはすべてのノイズ源の和となります:

注：この結果は、フォトダイオードの出力電流で表されるノイズの総量です。それに対して、NEPは入射した光パワーとして表されます。したがって、NEPの仕様値を比較するには、仕様の波長範囲における感度(典型値)を使用します:

また、別のダイオードと比較する際に容易に計算できるよう、帯域幅を1 Hzに設定しました。

実験：暗電流およびシャント抵抗の測定

パッケージされていない状態の代表的な4つのフォトダイオードのNEPを、25～55 °Cにおいて測定しました。測定には以下のディテクタを使用しました：SiディテクタFDS1010、GeディテクタFDG50、GaPディテクタFGAP71、InGaAsディテクタFGA10。

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図1: カバーを外し、FGA10を設置した入れ子式金属ボックスの試験冶具。
どちらの箱も内側は黒色の断熱材で覆われています。.
A: サーミスタ、B：FGA10、C：BNC-BNCフィードスルー、D：外側ボックス、E：内側ボックス、F：BNC-Triaxフィードスルー、G：BNC-BNCフィードスルー

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図3: 電子回路内のホイルヒータ、温度コントローラTED8040、抵抗ヒータを通過する2つの整流ダイオードの制御電流(本文参照)。

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図2: 測定用セットアップ
上段はカスタム仕様の温度チャンバ。下段はPRO8000およびコントローラTED8040を含む温度制御機器。

実験のセットアップ
この実験セットアップでは、フォトダイオードに一定の逆バイアス電圧を供給することや、ディテクタの温度制御、ディテクタに対する遮光などに留意し、また測定電流が電波障害(EMI)の影響を受けないように外部と絶縁してディテクタとピコアンメータKeithley 6487を接続しました。ディテクタの暗電流はnAオーダの場合もあり、正確に測定するためにはこれらの条件を制御することが重要です。

ディテクタは2つの入れ子式アルミニウム製ボックスで囲っています(図1はカバーを外した状態です)。1つのボックスのみでフォトダイオードを遮光することはできますが、実験ではEMIを遮断するために外側にもボックスを配置しています。ディテクタは内側のボックス内にあり、ピコアンメータKeithley 6487と電気接続されています。ピコアンメータは逆バイアスを供給し、出力電流信号を受信します。ピコアンメータとフォトダイオード間の電気信号は、複数のケーブルとフィードスルーを介して2つのボックスを通過します。バイアス電圧は、2つの金属製ボックスの壁の中にある同軸ケーブルとBNC-BNCフィードスルーを介してフォトダイオードに接続されています。フォトダイオードからの電流信号ラインは、内側のボックスの壁の中に組み込まれているBNC-TriaxフィードスルーのBNC端子に接続されています。信号は外側のボックス内のTriaxおよびTriax-Triaxフィードスルーを通過し、ピコアンメータKeithly 6487に向かいます。同軸ケーブルは遮蔽性能が低く、それを使用してピコアンメータへ信号を送るときにはディテクタからの信号にEMI源からのノイズが混入する場合があるため、Triaxケーブルが使用されています。外側のボックスは内側のボックスをEMIから遮蔽するので、信号がディテクタからBNC-Triaxフィードスルーに移動する際に発生するノイズは低減されます。

暗電流を測定する場合、バイアス電圧は5 Vに設定します。シャント抵抗を算出するには、バイアス電圧を+10 mVおよび-10 mVに設定して電流を測定します。

実験中のフォトダイオードの温度は、サーミスタを用いて連続モニタしました。サーミスタは熱伝導テープでFDG50、FGAP71、FGA10のTO Canに隙間なく固定されています。FDS1010のフォトセンサはセラミック製の基板に取り付けられています。実験の際、サーミスタは基板の裏側にテープで固定しました。サーミスタと温度ロガーTSP01間の電気的接続にはBNCケーブルを使用し、BNC-BNCバルクヘッドフィードスルーで入れ子式ボックスの外へ信号を取り出し、カスタム仕様のBNC-フォノジャックケーブルを使用して温度ロガーに接続しました。

この試験には標準品の筐体XE25C9をベースにしたカスタム仕様の温度チャンバが使用されました。温度チャンバは図3中の上段に表示されています。筐体は底面と4つの壁を有し、内側と外側の全ての面に絶縁体が付いています。筐体の蓋はハードボードで作られており、XE25シリーズレールで縁取られています。ハードボードの内側には絶縁体が付いています。XE25C9の筐体の壁には6個のホイルヒータが装着され、6個の熱電冷却(TEC)コントローラTED8040を取り付けたPRO8000(図2中の下段に設置)によって作動します。TED8040はそれぞれヒータおよびチャンバ内に取り付けられたサーミスタに接続されています。サーミスタから読み取った値をもとにヒータ電流が決定されます。チャンバはアクティブには冷却されません。その代りにヒータを駆動する電流を止め、さらにオプションとしてチャンバの蓋を開けて冷却します。

TED8040ユニットはTECに接続可能です。電流を一定の方向に流すと熱が発生し、逆方向に流すと冷却されます。このため、筐体の温度が設定値を超えた場合、実験セットアップ内のTED8040ユニットは駆動電流を切断することはしません。その代りに電流を逆方向に流し、冷却を行います。これに対し、ホイルヒータは電流の流れる方向に関わらず熱を発生させることができます。駆動電流をヒータから迂回させるために、2つの整流ダイオードを有する電子回路(図3参照)が設計・内蔵されています。整流ダイオードは電流を1方向にのみ流します。サーミスタに表示される温度が設定よりも低い場合、電流は赤い矢印の方向に流れてヒータを通過し、熱が発生します。筐体の温度が設定よりも高くなった場合、コントローラTED8040は電流の方向を逆向きにし、青い矢印の方向に流れるようにします。この状態では、回路内の電流はヒータの方向へは流れず、チャンバは冷却されます。

実験結果
図4は、SiディテクタFDS1010、GeディテクタFDG50、GaPディテクタFGAP71、InGaAsディテクタFGA10で測定された暗電流のグラフです。図5は、図4と同じダイオードのシャント抵抗の計算値です。データは、25 °C～55 °Cの温度下(図7の青い領域)において連続して取得されました。図7は実験中に測定されたフォトダイオードの温度変化の代表的な例です。フォトダイオードの温度プロファイルは、温度の上昇、その後徐々に最高温度への到達、そして温度の下降というように変化します。図4ならびに図5で示されているデータは、25 °C～55 °Cで測定されています。測定のタイミングは異なりますが、すべてのデバイスにおいて電流は同じ温度において測定されています。

図5で示されているように、ディテクタGaP、InGaAs、Siのシャント抵抗の測定値は比較的大きくなっているので、多くの場合、これを考慮する必要はありません。GeディテクタFDG50のシャント抵抗値は、高温においては比較的小さくなっています。このダイオードを高抵抗と共に使用する場合は、シャント抵抗を考慮に入れる必要があります。

図6では、各ダイオードのNEP計算値と温度の関係を示しています。NEPは、波長にによって変化する感度によって決まるため、ここでのNEPは右の表内に記載されているピーク感度を用いて算出されています。

Responsivity Used for NEP Calculation
FGA10	1.05 A/W @ 1550 nm
FDG50	0.85 A/W @ 1550 nm
FGAP71	0.12 A/W @ 440 nm
FDS1010	0.725 A/W @ 970 nm

図6のデータ曲線は、測定された暗電流がフォトダイオードの構成材料によって異なることを示しています。暗電流値が低い順に:

GaPディテクタFGAP71(NEP値は最小)
InGaAsディテクタFGA10
SiディテクタFDS1010
GeディテクタFDG50(NEP値は最大)

最大値は最小値よりも6桁ほど大きくなっています。どのフォトダイオードも、温度が上昇すると暗電流も増加しています。グラフのひし形の点は25 °Cでの各ディテクタの暗電流の仕様値です。これらの点は25 °Cでの暗電流の最大値を示しています。各ダイオードの暗電流およびNEPは25 °Cではこの値よりも小さい値でなければなりませんが、25 °Cよりも高い温度ではこの仕様値よりも大きくなる場合があります。

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図4: 4つのマウント無しフォトダイオードで測定された暗電流。
ひし形のデータ点は25 °Cでの各ディテクタの暗電流の仕様値です。

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図5: 4つのマウント無しフォトダイオードのシャント抵抗を本文中の数式を用いて算出

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図6: 4つのマウント無しフォトダイオードのNEPをショットノイズと熱ノイズの和で算出。
ひし形のデータ点は25 °Cでの各ディテクタのNEPの仕様値です。FGA10では、ピーク感度波長におけるNEPが規定されていないため、この仕様値のデータ点が表示されていません。

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図7: チャンバ内の環境で制御された代表的なフォトダイオードの温度変化。
暗電流は25 °C～55 °C(青い領域)で測定し、その値を図5にプロットしています。

実験結果についての制限事項
測定はディテクタの種類毎に1台を用いて実施しており、全体的な傾向を示すことを目的としております。よって特定のダイオードの仕様として捉えるものではありません。測定された電流はバイアス電圧や負荷抵抗の温度依存性、その他の様々な要因に影響されます。測定に対するそれらの影響を抑制するために、必要な5 Vの逆バイアスを得るためにピコアンメータKeithley 6487を使用するなどの工夫をしています。ピコアンメータを使用することにより、温度依存性がある負荷抵抗器が不要になりました。サーミスタはできる限り半導体センサの近くに配置しましたが、直接センサには接触していません。そのため、測定温度と実際の半導体材料の温度に差があるかもしれません。電流は環境チャンバの温度を連続的に変化させて測定しました。この実験では湿度は制御されていません。

[1] 当社のホワイトペーパ「NEP – Noise Equivalent Power」より

[2] Quimby, Richard S. Photonics and Lasers: An Introduction. Wiley-Interscience, Hoboken, NJ, 2006, pp 241-244.

ビームサイズとフォトダイオードの飽和

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図1: 入射パワーが一定のときの、出力電流の変化を規格化して表示。試験対象のフォトダイオード(DUT)であるFDS1010に入射するビーム径はレンズの焦点を調整して設定。

当社のシリコンフォトダイオードの飽和点とビームサイズの関係についての測定結果をご紹介します。ここでは、線形応答領域から1%の偏差が生じる状態で飽和と定義しています。図1に示されているように、ビームサイズが小さくなるとフォトダイオードが飽和する入射パワーレベルも小さくなります。飽和の変化がパワー密度によるものではないことを実証するために、計算と実験を数回追加して行っています。これらの結果は、当社のフォトダイオードパワーセンサS130Cのようなパワーセンサを用いてパワーの絶対値を測定するときは、ビームサイズを考慮に入れるべきだということを示しています。

実験ではマウント付きフォトダイオードSM1PD1Aを使用しました。この検出器はSM1シリーズネジ付き筐体にフォトダイオードFDS1010を取り付けたものです。光源には830 nmのスーパールミネッセントダイオードを使用しました。ビームスプリッタを用いて光の20%をモニタ用フォトダイオードに入射し、残りの光は集光レンズを通過させています。光パワーは積分球によって校正し、集光ビームのビームサイズは移動ステージに取り付けたビームプロファイラによって校正しました。校正後、ビームプロファイラを試験対象のデバイス(DUT)であるSM1PD1A(0 Vバイアス)と交換しました。負荷抵抗器を使わなくても済むように、出力電流はアンメータで測定しました。パワーを一定に保ちながらビーム径を0.06 mm～5 mmで連続的に変化させてデータを記録し、また1 mm～5 mm(5%のクリップレベルで測定)のビーム径に対して入射パワーを0.12 mW～5 mWで連続的に変化させて測定しました。

これらの測定結果をグラフで示しています。図1(右)は入射パワーを1 mWに固定して、ビーム径を連続的に変化させたときの線形応答からの偏差を示しています。図2(下)は異なるビーム径において入射パワーを連続的に変化させたときの線形応答からの偏差を示しています。図1では、1 mWの入力においては、ビームサイズが300 µm未満になるとフォトダイオードは飽和することを示しています。図2では、ビーム径が2 mm以上になると実験を行ったパワーレベルでは飽和しないことを示しています。

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これらの結果から、パワー密度が大きいことによる局所的な飽和は、利用可能なキャリア数が局所的に枯渇または減少することに起因するという1つの仮説を立てることができます。図3は、図2のパワーの測定値とビーム径からパワー密度を算出し、出力電流とパワー密度の関係をグラフ化したものです。もし、結果が局所的な飽和によるものだとすると、何れのビーム径においても飽和するパワー密度は同じであることが期待されます。しかし、結果はそうなっていません。

図3の結果ではビームサイズの変化と光パワー密度が連動しているので、別の実験として、ビームエリアの同一エンベロープ内においてセンサに入射するパワー密度を増加させ、それによって飽和点が変化するかどうかを調べました。具体的には、マイクロレンズアレイを用いてガウシアンビームをビームレットの配列に分割し、全ての光パワーを同じガウシアンエンベロープ内で複数の小さなスポットに集光しました。これによりパワー密度はより大きくなりますが、センサのリード線への電気的接続は同様のままです。図4は、図2の結果にマイクロレンズアレイによる結果を点線で重ねて示したものです。全てのビーム径において、元のガウシアンビームとほぼ同じ結果となっていることから、飽和は全体のビーム径に関係しており、パワー密度には依存しないことがわかります。実験データの詳細において、この実験結果はビームサイズによる飽和の変化がフォトダイオードの直列抵抗の変化によるものであるというScholze氏らの理論[1]を支持するものであることを論じています。

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図2: 1 mm～5 mmのビーム径において入射パワーを増大させた場合の直線応答からのパーセント偏差。1%の偏差レベルを水平の点線で示しています。

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図3: 1 mm～5 mmのビーム径における、規格化された出力電流とパワー密度との関係。このグラフは、飽和効果が同一のパワー密度で現れるわけではないことを示しています。

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図4: 2 mm～5 mmのビーム径における、規格化された出力電流と光パワーとの関係。フォトダイオードの前にマイクロレンズアレイ(MLA)を設置した場合(点線)と設置しなかった場合(実線)について示しています。

[1] F. Scholze, R. Klein, R. Muller, Linearity of silicon photodiodes for EUV radiation. 2004 Proc. SPIE 5374 926–34.

入射光パワーに対する有効逆バイアス電圧特性

詳細については、Lab Factsボタンをクリックしてご参照ください。

はじめに
フォトダイオードの帯域幅(と立ち上がり時間)は、有効バイアス電圧の関数であることが知られています。つまり、要求される帯域幅を維持するためには、フォトダイオードに入射される光パワーで生成される光電流に応じて有効バイアス電圧を調整しなければなりません。この実験では、バイアス電圧を印加したフォトダイオードに関する信頼できるモデルを作るために、フォトダイオードの有効逆バイアス電圧とCWの入射光パワーとの関係を調べました。

回路の分析
まず、モデルを作るために、右の図2に示すフォトダイオードの回路に対してオームの法則を適用します。DC電圧源を一定と仮定すると、次の式が得られます。

V_eff = V₀ - i_PD * (R_P + R_L)

(1)

フォトダイオードの有効バイアス電圧(V_eff)は、電源電圧(V₀)から、バイアスモジュールの抵抗(R_P)と負荷抵抗(R_L)の和に光電流 (i_PD)を掛けた値を差し引いた値に等しくなります。

V_effが入射光パワー(P)によってどのように変化するかを見るために、上の式のi_PDを定義に従って波長に依存するフォトダイオードの感度[ℜ(λ)]とPの積に置き換えます。

i_PD = ℜ(λ) * P

(2)

負荷抵抗にオームの法則を適用してi_PD = V_L/ R_Lとすることで、上の式から ℜ(λ)(λ)は次のように書くことができます。

ℜ(λ) = V_L/ (P * R_L )

(3)

負荷抵抗(V_L)による電圧低下はPの増加量に比例すると仮定すると、 V_LとPの変化量の比は次のように表されます。

m = Δ V_L / Δ P

(4)

これらの式を組み合わせると、次の式が得られます。

V_eff = V₀ - (m / R_L) * P * (R_P + R_L)

(5)

mの値は各フォトダイオードのV_LおよびPの測定値から計算できるため、この式はPに応じたV_effの変化を示すモデルとして使用できます。

実験
この実験ではPの変化に対するV_Lの変化を測定しました。ファイバに結合された半導体レーザからの出力光を、コリメートしたのちにNDフィルタを通し、さらに軸外放物面ミラーで被試験デバイス(DUT)に集光しました。実験セットアップの写真は右上の図1でご覧いただけます。様々な光学濃度のNDフィルタを使用することで、フォトダイオードへの入射光パワーを変化させました。使用したフォトダイオードごとに受光面と集光ミラー間の距離を調整し、スポットサイズがフォトダイオードの受光面積の約半分となるようにしました。V₀、V_L、およびV_eff + V_Lの測定にはオシロスコープを使用しました。有効バイアスの測定にはマルチメータを直接使用しました。

結果
各DUTについてPに対するV_Lをグラフ化しました。Siフォトダイオードの結果例が右の図3でご覧いただけます。データセット毎に直線のトレンドラインを作成しましたが、その勾配が式(4)のmになります。この値を式(5)に用いて有効バイアス電圧を求めることができます。また、V_effの入射光パワーに対する特性をグラフ化し、オシロスコープによる測定値と比較することができます。結果が下の図4の3つのグラフに示されています。ここに示したモデルは実験による測定結果と整合性があることが分かり、(V₀、R_PおよびR_Lが一定の場合には)Pが増加するとともにV_effが減少することを示しています。これは重要な結果です。なぜなら電圧源に設定した電圧が必ずしもフォトダイオードに印加されるバイアス電圧にはならないからです。フォトダイオードに印加される有効バイアス電圧を求めるには、回路内の部品の抵抗を考慮しなければなりません。

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図1:こちらの実験セットアップはフォトダイオードの有効電圧のモデルを検証するために使用されました。

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図2:バイアス電圧が印加されたフォトダイオードの電子回路図

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図3:左の式(5)のmを求めるために使用された入射光パワーと電圧の関係

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図4:様々なフォトダイオードにおける有効バイアスの測定値とモデルによる計算値

About Our Lab Facts
Our application engineers live the experience of our customers by conducting experiments in Alex’s personal lab. Here, they gain a greater understanding of our products’ performance across a range of application spaces. Their results can be found throughout our website on associated product pages in Lab Facts tabs. Experiments are used to compare performance with theory and look at the benefits and drawbacks of using similar products in unique setups, in an attempt to understand the intricacies and practical limitations of our products. In all cases, the theory, procedure, and results are provided to assist with your buying decisions.

Posted Comments:

g.d.j.sasbrink (posted 2017-01-09 06:10:55.967)

Dear Thorlabs, I'm looking for a mounted, calibrated PD. The FDS100-CAL seems to be a suitable option. We do need the PD to be mounted however. The SM05PD1A seems to be the corresponding mounted product. I see that it is possible to obtain the SM05PD1A with a calibrated PD (as a custom product). What would be the price? Thanks.

tfrisch (posted 2017-01-09 10:42:02.0)

Hello, thank you for contacting Thorlabs. We have been able to offer mounted calibrated photodiodes in the past. I will contact you directly about your needs.

bcaplins (posted 2016-03-11 10:58:17.647)

I am planning to detect small signal from a 1 KHz laser with these PD's. I will be using a SRS 570 current amp which has a floating input. I was curious to know if there is any benefit to the cathode grounded vs anode grounded version? Seems like it shouldn't matter to me.

besembeson (posted 2016-03-11 04:08:10.0)

Response from Bweh at Thorlabs USA: Yes it shouldn't really matter.

1982ariel (posted 2015-01-15 15:28:34.47)

ThoeLabs hello, Please advise damage threshold on all your Si, GaAs,Ge and other detectors. Thank you Ariel

myanakas (posted 2015-02-09 08:41:46.0)

Response from Mike at Thorlabs: We do not currently have damage threshold specifications for these photodiodes. We have contacted you directly to discuss you application.

robertmeissner (posted 2014-11-20 16:11:23.863)

Dear Thorlabs, I want to measure the power of my laser with a SM1PD2A attached to an oscilloscope. I read that the maximum power is roughly a couple of mW. What is the maximum measurable voltage/current of this device? Could you tell me more about the I-V curve as well? Is a bias-voltage needed and if so, which voltage is needed?

jlow (posted 2014-11-25 10:51:12.0)

Response from Jeremy at Thorlabs: The maximum reverse bias voltage is 5V. A reverse bias is not necessary but it will result in faster response and better linearity. We will contact you directly to discuss more about your application and provide more details.

holmiumht125 (posted 2014-10-03 12:53:33.787)

Dear Thorlabs, I would like to use the photodiode with an oscilloscope to measure the energy of laser pulse of ~10ns. For the same laser pulse, the signal looks very different for oscilloscope impedance of 50 Ohms and 1 MOhms. Which 1 should be used to measure energy of laser pulse? And how should be be calculated (min/max value, area under graph, etc)? Thanks.

jlow (posted 2014-10-03 02:16:45.0)

Response from Jeremy at Thorlabs: These mounted photodiode are current source and you will not get a good signal for your application by using the oscilloscope with 1MOhm impedance. The 50Ohm input would be much better. You will also want to make sure to properly bias the photodiodes. For calculating the pulse energy, you will need a calibrated sensor which these mounted photodiodes are not. I will contact you directly to discuss more about your application and suggest something appropriate.

david.lee (posted 2014-03-10 17:52:25.753)

Dear Thorlabs team, Do you have any information regarding the change in responsivity of the SM1PD1B photodiode as a function of temperature. I am interested in data for the temperature range 0C - 40C. Thank you.

jlow (posted 2014-03-10 04:17:47.0)

Response from Jeremy at Thorlabs: The responsivity change will be more significant on the extreme ends of the responsivity curve. I will contact you directly to provide a typical graph for this.

th6187 (posted 2013-11-19 11:17:21.65)

Dear Thorlabs team, could you tell me damage threshold of the SM1PD1A and/or the recommended power range which this photodiode is suitable for? Thank you.

jlow (posted 2013-11-21 10:59:27.0)

Response from Jeremy at Thorlabs: We recommend that the input power to be at most a few mW to make sure that the detector is not being saturated or operating in the nonlinear regime. As for the damage threshold, you would want to keep the detector output current to be <10mA.

ch605852 (posted 2013-10-27 13:37:37.607)

Is there any V-I characteristics of the diode itself? Specifically I am looking for information about output voltage respect to reverse bias and incident power. Thanks.

jlow (posted 2013-10-29 14:19:00.0)

Response from Jeremy at Thorlabs: The output current should be linear with respect to the incident power up until a few mW. I will get in contact with you directly to discuss about this.

th6187 (posted 2013-07-15 14:30:03.043)

Dear Thorlabs team, do you have any information or data concerning a possible polarization dependence of the SM1PD1A? If so, I would be grateful if you could send it to me. Thanks, SR

jlow (posted 2013-07-16 11:40:00.0)

Response from Jeremy at Thorlabs: The polarization effects depends on the angle of incidence (AOI). At 0° AOI, both s and p-polarization should yield the same result. I will get in contact with you to discuss about this further.

jlow (posted 2012-07-31 17:44:00.0)

A response from Jeremy at Thorlabs: Thank you very much for your feedback. I have forwarded this to our engineering group and we will look into getting this implemented.

acable (posted 2012-07-31 09:41:16.0)

I have modified your SM05PD1A sensor, the back end was to large to fit through a SM05 lens tube, by turning down the diameter of the unthreaded portion of the housing diameter to just below 0.450" i was able to get the parts to fit together nicely. Please consider reducing the diameter on all the detector housings so they fit into your standard lens tubes.

tcohen (posted 2012-05-23 19:58:00.0)

Response from Tim at Thorlabs: Thank you for your feedback! We have found a couple errors on the web presentation that may have caused some confusion. We are confirming these values, will fix the errors and will clear up any ambiguity. Thank you for helping us improve our website!

user (posted 2012-05-18 16:26:39.0)

There seems to be an error that has effected all you detector pages, looking at the NEP for the 0.8 mm^2 and 13 mm^2 area SI detectors in their various forms, the NEP values are different on the bare diode, package diodes from this page, and the biased detector pacakges. Please confirm the numbers, perhaps i am missing something and your packaging effects the NEP more than expected.

jvigroux (posted 2011-12-02 12:09:00.0)

A response from Julien at Thorlabs: Thank you for your question. The cathode is connected to the housing and to the outer electrode of the BNC plug

strikovski (posted 2011-11-30 09:15:26.0)

Please, clarify the electrical connection of the SM1PD2A: is Cathode directly connected to the diode case, and to BNC connector outer electrode? Sorry, that is not clear from your Spec Sheet. Thank you beforehand. Mikhail Strikovski strikovski@neocera.com NEOCERA LLC, USA

bdada (posted 2011-10-17 14:07:00.0)

Response from Buki at Thorlabs: Thank you for your feedback. We will add more detailed drawings to our website soon. Please contact TechSupport@thorlabs.com for further questions.

michael.vilcheck (posted 2011-10-12 15:04:48.0)

The product drawings do not locate the detector plane. The drawing for the photodiode locates the plane relative to the front window, but the location of the photodiode within the delrin SM05 housing is not given. Could you please provide a drawing that locates the detector plane. Even better would be a solid model. Thank you, Michael

tor (posted 2010-11-10 17:00:23.0)

Response to ericsmoll from Tor at Thorlabs: Thank you for your interest in the SM1PD1A. I will send a plot of the typical capacitance per unit area as function of reverse bias voltage. Our Electronics Department indicates that the capacitance is 1500pF for 0V and settles down to 300pF for 10V.

ericsmoll (posted 2010-11-09 13:13:06.0)

Do you have a plot of SM1PD1A capacitance as a function of reverse bias?

lmorgus (posted 2010-01-07 10:14:09.0)

Response from Laurie at Thorlabs to the anonymous poster: We are please to hear that you find the drawings on our overview tab helpful. We have enlarged those images to make the text easier to read. We hope these will be beneficial to you, and thank you for helping us to improve our website.

apalmentieri (posted 2010-01-06 16:51:03.0)

A response from Adam at Thorlabs: You are correct, the text is rather small. We will enlarge the drawings on the overview tab to make them easier to read.

user (posted 2010-01-06 16:18:14.0)

The drawings on the Overview tab are great as quick reference aids but i cant read the text, can you please enlarge.

Tyler (posted 2008-04-14 16:58:02.0)

A response from Tyler at Thorlabs to tehola: I believe the best option Thorlabs can offer you with our stock parts to mount a TO-18 can photodiode on the optical axis of an SM05 lens tube is to use an S1LEDM mount in conjunction with an SM1A1. Note that unlike the mounted photodiodes that we sell, the S1LEDM is made from anodized aluminum and as a result the TO-18 can will not be insulated from the lens tube. I will forward your request to our design engineers. Hopefully, this will result in the development of a new product. Thank you for letting us know what kinds of tools you need for your lab.

tehola (posted 2008-04-14 03:21:16.0)

Dear Sirs, It would be great, if you had such a product that could be used to mount a separate photodiode for example in TO-18 can to SM05 tube so that it is centered. Is it possible to get such a device at the moment from you and in what cost? -TH-

下表は、当社のフォトダイオードおよびフォトコンダクタなどフォトディテクタの一覧です。同一の列に記載されている型番の検出素子は同じです。

Photodetector Cross Reference
Wavelength	Material	Unmounted Photodiode	Unmounted Photoconductor	Mounted Photodiode	Biased Detector	Amplified Detector
150 - 550 nm	GaP	FGAP71	-	SM05PD7A	DET25K2	PDA25K2
200 - 1100 nm	Si	FDS010	-	SM05PD2A SM05PD2B	DET10A2	PDA10A2
200 - 1100 nm	Si	-	-	SM1PD2A	-	-
320 - 1000 nm	Si	-	-	-	-	PDA8A(/M)
320 - 1100 nm	Si	FD11A	-	SM05PD3A	-	PDF10A(/M)
320 - 1100 nm	Si	-	-	-	DET100A2	PDA100A2
340 - 1100 nm	Si	FDS10X10	-	-	-	-
350 - 1100 nm	Si	FDS100 FDS100-CAL ^a	-	SM05PD1A SM05PD1B	DET36A2	PDA36A2
350 - 1100 nm	Si	FDS1010 FDS1010-CAL ^a	-	SM1PD1A SM1PD1B	-	-
400 - 1000 nm	Si	-	-	-	-	PDA015A(/M) FPD310-FS-VIS FPD310-FC-VIS FPD510-FC-VIS FPD510-FS-VIS FPD610-FC-VIS FPD610-FS-VIS
400 - 1100 nm	Si	FDS015 ^b	-	-	-	-
400 - 1100 nm	Si	FDS025 ^b FDS02 ^c	-	-	DET02AFC(/M) DET025AFC(/M) DET025A(/M) DET025AL(/M)	-
400 - 1700 nm	Si & InGaAs	DSD2	-	-	-	-
500 - 1700 nm	InGaAs	-	-	-	DET10N2	-
750 - 1650 nm	InGaAs	-	-	-	-	PDA8GS
800 - 1700 nm	InGaAs	FGA015	-	-	-	PDA015C(/M)
	InGaAs	FGA21 FGA21-CAL ^a	-	SM05PD5A	DET20C(/M)	PDA20C(/M) PDA20CS2
	InGaAs	FGA01 ^b FGA01FC ^c	-	-	DET01CFC(/M)	-
	InGaAs	FDGA05 ^b	-	-	-	PDA05CF2
	InGaAs	-	-	-	DET08CFC(/M) DET08C(/M) DET08CL(/M)	PDF10C(/M)
800 - 1800 nm	Ge	FDG03 FDG03-CAL ^a	-	SM05PD6A	DET30B2	PDA30B2
	Ge	FDG50	-	-	DET50B2	PDA50B2
	Ge	FDG05	-	-	-	-
800 - 2600 nm	InGaAs	-	-	-	-	PDA10D(-EC)
900 - 1700 nm	InGaAs	FGA10	-	SM05PD4A	DET10C(/M)	PDA10CS(-EC)
900 - 2600 nm	InGaAs	FD05D	-	-	-	-
		FD10D	-	-	-	-
		-	-	-	DET05D2 DET10D2	-
950 - 1650 nm	InGaAs	-	-	-	-	FPD310-FC-NIR FPD310-FS-NIR FPD510-FC-NIR FPD510-FS-NIR FPD610-FC-NIR FPD610-FS-NIR
1.0 - 2.9 µm	PbS	-	FDPS3X3	-	-	PDA30G(-EC)
1.0 - 5.8 µm	InAsSb	-	-	-	-	PDA10PT(-EC)
1.5 - 4.8 µm	PbSe	-	FDPSE2X2	-	-	PDA20H(-EC)
2.0 - 5.4 µm	HgCdTe (MCT)	-	-	-	-	PDA10JT(-EC)
2.0 - 8.0 µm	HgCdTe (MCT)	VML8T0 VML8T4 ^d	-	-	-	PDAVJ8
2.0 - 10.6 µm	HgCdTe (MCT)	VML10T0 VML10T4 ^d	-	-	-	PDAVJ10
2.7 - 5.0 µm	HgCdTe (MCT)	VL5T0	-	-	-	-