中赤外域用光起電力型ディテクター、HgCdTe(MCT)


  • HgCdTe (MCT) Detectors with Optically Immersed Sensors
  • Models Available with Four-Stage TEC
  • Available in TO-8 or TO-39 Package

VL5T0

2.7 - 5.0 µm Wavelength Range,
TO-39 Package

VML10T4

2.0 - 10.6 µm Wavelength Range
with Thermoelectric Cooling,
TO-8 Package

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Mounted and Unmounted Detectors
Unmounted Photodiodes (200 - 2600 nm)
Calibrated Photodiodes (350 - 1800 nm)
Mounted Photodiodes (200 - 1800 nm)
Thermopile Detectors (0.2 - 15 µm)
Photovoltaic Detectors (2.0 - 10.6 µm)
Pigtailed Photodiodes (320 - 1000 nm)

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ハイパー半球レンズでは像はセンサ素子後方の仮想面に形成されるため、有効検出面積はセンサの物理的な面積よりも大きくなります。

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標準的な半球レンズでは像はセンサ素子面に形成されます。

特長

  • 中赤外域波長に適した光起電力型ディテクタ
  • GaAsマイクロレンズ内蔵により比検出能力を10倍向上
  • 4段の熱電冷却素子(TEC)付きモデルでは比検出能力が向上
  • ウェッジ付きセレン化亜鉛(ZnSe)のウィンドウを取り付けたハーメチックシールパッケージにマウント済み

こちらのフォトダイオードは光起電力モードで動作し、中赤外から10.6 µmまでの波長域に感度を有します。ディテクタは特定の波長(5 µm、8 µmまたは10.6 µm)で高い性能が得られるよう最適化されています。HgCdTe(MCT)センサ素子はすべて光学的な浸漬効果が得られるようにGaAs製のハイパー半球レンズが内蔵されており、また2~13 µm用にARコーティングされたウェッジ付きセレン化亜鉛(ZnSe)ウィンドウが付いています。当社の8 µmならびに10.6 µmのディテクタには、4段の熱電冷却素子(TEC)が組み込まれたものがあります。そのタイプではディテクタ素子の温度が-78 °Cに維持され、その冷却効果によりディテクタ電流の受光感度が向上し、従って比検出能力も向上します。TEC付きおよびTEC無しのMCTディテクタは、それぞれTO-8およびTO-39のパッケージでご提供しております。 ディテクタVML8T0およびVML10T0は、当社のPDAVJシリーズの増幅フォトディテクタにも組み込まれています。

すべてのディテクタには感度の測定データ、比検出能力のグラフ、およびその他の電気特性を記載した試験報告書が付属します。試験報告書のサンプルはこちらからご覧いただけます。

光学的な浸漬効果を用いたセンサ素子
こちらのMCTディテクタには光学的な浸漬効果が利用されており、有効検出面積が1 mm2に拡大されます。これはセンサ素子の物理的な検出面積0.01 mm2よりも約2桁大きくなっています。この技術は、センサ素子に対して、屈折率が高く(n = 3.3)、中赤外域で透明なGaAs製のハイパー半球マイクロレンズを組み合わせることで実現されています。右の図では半球レンズよりもハイパー半球レンズを使用する利点を示しています。半球レンズ(左)はセンサ面に光を集光し、物理的なセンサに比べてn倍大きい像を形成します。ハイパー半球レンズ(右)はセンサ後方の仮想的な焦点面上に像を形成し、この像の寸法は物理的なセンサに比べてn2倍大きくなります。ハイパー半球レンズにより大きな像が形成され、それによって大幅に高い性能が得られます。その代わり受容角は半球レンズの180°に比較して35°と小さくなります。

TEC付きのディテクタ
ディテクタVML8T4とVML10T4には4段のTECが内蔵されており、動作温度を-78 °Cに設定することができます。この温度まで冷却することで受光感度が向上し、比検出能力が10倍以上高くなります。詳細は「TEC」タブならびに「ピン配列」タブをクリックしてご覧ください。ディテクタの温度制御には温度コントローラTED4015の使用をお勧めいたします。

不適切なヒートシンクの配置


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ヒートシンクの主な接触部位を取付けネジや円筒形の筐体とするのは不適切です。

適切なヒートシンクの配置


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ヒートシンクは熱伝導性グリースや熱伝導性エポキシを使用してディテクタのパッケージ底部に適切に接触させる必要があります。

ヒートシンクの配置
ディテクタVML8T4とVML10T4に組み込まれた4段の熱電冷却素子(TEC)は、熱をセンサーチップからディテクターパッケージの下側に移動させます。この熱を散逸させるには、ヒートシンクをパッケージ底部の大きな部分に接触させる必要があります(右図の左から1、2番目の図参照)。ディテクタの筐体とヒートシンク間の熱伝達を最大化するために、熱伝導性グリースまたは熱伝導性エポキシを使用してください。

 


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生データはこちらからダウンロードいただけます。
このグラフは、当社のディテクタVMLxT4に内蔵されているMurata製サーミスタNCP03XM222E05RLの抵抗と温度の関係を示しています。生データには β-パラメータを用いた式を使用して計算した抵抗値も含まれています。

温度制御
TECは、内蔵のサーミスタ(Murata製、NCP03XM222E05RL)からの温度フィードバック信号を用いて、閉ループモードで動作温度を維持します。 ディテクタの温度を-78 °Cに維持するために、温度コントローラTED4015の使用をお勧めいたします。温度プローブの種類はNTCサーミスタに設定し、校正値はT0 = 25 °C(298 K)、R0 = 2.2 kΩ、β = 3080 K(25/-78 °Cに対する近似値)に設定します。これらの値は、下のβ-パラメータを用いた式もしくは右のグラフと生データを用いて、サーミスタの抵抗をMCTダイオードの温度と関連づけるのに使用できます。

MCT光起電力型ディテクタのピン配列

下の図は共にコネクタの底面から見たピン配列を表示しています。

MIR Detector Pin Diagram
ディテクタVL5T0、VML8T0、VML10T0(TO-39パッケージ)
MIR Detector with TEC Pin Diagram
TEC内蔵のディテクタVML8T4、VML10T4(TO-8パッケージ)
TO-39 Detector Pins
PinConnection
1Detector Cathode
2Detector Anode
3Ground/Case
TO-8 Detector Pins
PinConnectionPinConnection
1Detector Anode7Thermistor Pin 1
2TE Cooler (+)8TE Cooler (-)
3Detector Cathode9Thermistor Pin 2
4Not Used10Not Used
5Not Used11Ground
6Not Used12Not Used

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 (IPD)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。

MaterialDark CurrentSpeedSpectral RangeCost
Silicon (Si)LowHigh SpeedVisible to NIRLow
Germanium (Ge)HighLow SpeedNIRLow
Gallium Phosphide (GaP)LowHigh SpeedUV to VisibleModerate
Indium Gallium Arsenide (InGaAs)LowHigh SpeedNIRModerate
Indium Arsenide Antimonide (InAsSb)HighLow SpeedNIR to MIRHigh
Extended Range Indium Gallium Arsenide (InGaAs)HighHigh SpeedNIRHigh
Mercury Cadmium Telluride (MCT, HgCdTe)HighLow SpeedNIR to MIRHigh

接合静電容量
接合静電容量(Cj)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(Cj)と負荷抵抗値(RLOAD)を用いて、帯域幅(fBW)と立ち上がり時間応答(tr)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(VOUT)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、RLOAD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(Rf)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CD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。

Photoconductor Chopper Equation


Posted Comments:
Mohsn.realtbzu  (posted 2017-12-25 04:27:19.91)
Hi,I need output current of this photovoltaic for designig my project but in your datasheet wasn't Responsivity curve (A/W_landa)! Would you please send me Resposivity curve inorder to find output current or say how can I find this electrical signal?
wskopalik  (posted 2017-12-28 09:50:39.0)
This is a response from Wolfgang at Thorlabs. Thank you very much for your inquiry. The photovoltaic detector VML10T4 is specified with a current responsivity - width product of ≥ 0.15 A * mm * (1/W) at the optimal wavelength of 10.6µm. I have contacted you directly with further information about how to estimate the output current based on this specification.
yt  (posted 2017-09-28 15:53:33.917)
Hi! Could you send us quotation VML10T4 with TEC amplifer like PDA10JT-EC type? Best regards, Y. T. Chae
swick  (posted 2017-10-03 03:29:53.0)
This is a response from Sebastian at Thorlabs. Thank you for the inquiry. MCT detectors with integrated transimpedance amplifier (similar to PDA10JT) will be release soon. I will contact you directly with further information.

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
WavelengthMaterialUnmounted
Photodiode
Mounted
Photodiode
Biased
Detector
Amplified
Detector
Amplified Detector,
OEM Package
200 - 1100 nmSiFDS010SM05PD2A
SM05PD2B
DET10A2PDA10A2-
Si-SM1PD2A---
320 - 1000 nmSi---PDA8A2-
320 - 1100 nmSiFD11ASM05PD3APDF10A2-
Si- a-DET100A2 aPDA100A2 aPDAPC2 a
340 - 1100 nmSiFDS10X10----
350 - 1100 nmSiFDS100
FDS100-CAL b
SM05PD1A
SM05PD1B
DET36A2PDA36A2PDAPC1
SiFDS1010
FDS1010-CAL b
SM1PD1A
SM1PD1B
---
400 - 1000 nmSi---PDA015A(/M)
FPD310-FS-VIS
FPD310-FC-VIS
FPD510-FC-VIS
FPD510-FS-VIS
FPD610-FC-VIS
FPD610-FS-VIS
-
400 - 1100 nmSiFDS015 c----
SiFDS025 c
FDS02 d
-DET02AFC(/M)
DET025AFC(/M)
DET025A(/M)
DET025AL(/M)
--
400 - 1700 nmSi & InGaAsDSD2----
500 - 1700 nmInGaAs--DET10N2--
750 - 1650 nmInGaAs---PDA8GS-
800 - 1700 nmInGaAsFGA015--PDA015C(/M)-
InGaAsFGA21
FGA21-CAL b
SM05PD5ADET20C2PDA20C2
PDA20CS2
-
InGaAsFGA01 c
FGA01FC d
-DET01CFC(/M)--
InGaAsFDGA05 c--PDA05CF2-
InGaAs--DET08CFC(/M)
DET08C(/M)
DET08CL(/M)
--
InGaAs---PDF10C2-
800 - 1800 nmGeFDG03
FDG03-CAL b
SM05PD6ADET30B2PDA30B2-
GeFDG50-DET50B2PDA50B2-
GeFDG05----
900 - 1700 nmInGaAsFGA10SM05PD4ADET10C2PDA10CS2-
900 - 2600 nmInGaAsFD05D-DET05D2--
FD10D-DET10D2PDA10D2-
950 - 1650 nmInGaAs---FPD310-FC-NIR
FPD310-FS-NIR
FPD510-FC-NIR
FPD510-FS-NIR
FPD610-FC-NIR
FPD610-FS-NIR
-
1.0 - 5.8 µmInAsSb---PDA10PT(-EC)-
2.0 - 8.0 µmHgCdTe (MCT)VML8T0
VML8T4 e
--PDAVJ8-
2.0 - 10.6 µmHgCdTe (MCT)VML10T0
VML10T4 e
--PDAVJ10-
2.7 - 5.0 µmHgCdTe (MCT)VL5T0--PDAVJ5-
2.7 - 5.3 µmInAsSb---PDA07P2-
  • こちらのディテクタに内蔵されているフォトダイオード(PD)のみを電子回路基板なしでの購入をご検討の場合は、当社までお問い合わせください。
  • 校正済みマウント無しフォトダイオード 
  • マウント無しTO-46 Can型フォトダイオード
  • マウント無しTO-46 Can型フォトダイオード、 FC/PCバルクヘッド付き
  • TEC付き光起電力型ディテクタ

HgCdTe(MCT)光起電力型ディテクタ:2.7~5 µm


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フォトダイオードVL5T0の感度
  • 波長範囲: 2.7~5.0 µm
  • TO-39パッケージ、ソケットSTO5SまたはSTO5Pに対応
  • 有効検出面積: 1 mm2 (1 mm x 1 mm) 
  • 受容角: 35°
  • 単一接合型HgCdTe(MCT)センサ
Item #InfoOptimization
Wavelengtha
DetectivityTEC
Stages
Operating
Temperature
Time
Constant
Current
Responsivity
Resistance
VL5T0info5.0 µm≥9.0x109 (cm·Hz1/2)/WN/A27 °C≤120 ns≥1 A/W≥1 Ω·cm2 b
  • 各デバイスの動作はこの波長用に最適化されています。仕様は、この波長、周囲温度20℃、および記載されているパッケージの動作温度で有効です。 
  • 抵抗と受光面積の積
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
VL5T0 Support Documentation
VL5T0HgCdTe Single-Junction Photovoltaic Detector, 5.0 µm, 1 mm2 Active Area
¥174,021
7-10 Days

HgCdTe(MCT)光起電力型ディテクタ:2.0~8.0 µm


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フォトダイオードVML8T0およびVML8T4の感度
  • 波長範囲:2.0~8.0 µm
  • VML8T0:TO-39パッケージ、ソケットSTO5SまたはSTO5Pに対応
  • VML8T4:TO-8パッケージ、4段の熱電冷却素子(TEC)付き
  • 有効検出面積:1 mm2(1 mm x 1 mm) 
  • 受容角: 35° 
  • マルチ接合型HgCdTe(MCT)センサ
Item #InfoOptimization
Wavelengtha
DetectivityTEC
Stages
Operating
Temperature
Time
Constant
Current
Responsivity
Resistance
VML8T0info8.0 µm≥3.0x108 (cm·Hz1/2)/WN/A27 °C≤4 ns≥0.04 A⋅mm/W50 to 300 Ω
VML8T4info8.0 µm≥6.0x109 (cm·Hz1/2)/WFour-78 °C≤4 ns≥0.20 A⋅mm/W500 to 1200 Ω
  • 各デバイスの動作はこの波長用に最適化されています。仕様は、この波長、周囲温度20℃、および記載されているパッケージの動作温度で有効です。
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
VML8T0 Support Documentation
VML8T0HgCdTe Multi-Junction Photovoltaic Detector, 8.0 µm, 1 mm2 Active Area
¥383,382
7-10 Days
VML8T4 Support Documentation
VML8T4HgCdTe Multi-Junction Photovoltaic Detector with TEC, 8.0 µm, 1 mm2 Active Area
¥492,515
7-10 Days

HgCdTe(MCT)光起電力型ディテクタ:2.0~10.6 µm


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フォトダイオードVML10T0およびVML10T4の感度
  • 波長範囲:2.0~10.6 µm
  • VML10T0:TO-39パッケージ、ソケットSTO5SまたはSTO5Pに対応
  • VML10T4:TO-8パッケージ、4段の熱電冷却素子(TEC)付き 
  • 有効検出面積:1 mm2(1 mm x 1 mm)
  • 受容角:35°
  • マルチ接合型HgCdTe(MCT)センサ
Item #InfoOptimization
Wavelengtha
DetectivityTEC
Stages
Operating
Temperature
Time
Constant
Current
Responsivity
Resistance
VML10T0info10.6 µm≥1.0x108 (cm·Hz1/2)/WN/A27 °C≤1.5 ns≥0.01 A⋅mm/W20 to 150 Ω
VML10T4info10.6 µm≥2.0x109 (cm·Hz1/2)/WFour-78 °C≤3 ns≥0.15 A⋅mm/W150 to 500 Ω
  • 各デバイスの動作はこの波長用に最適化されています。仕様は、この波長、周囲温度20℃、および記載されているパッケージの動作温度で有効です。
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
VML10T0 Support Documentation
VML10T0HgCdTe Multi-Junction Photovoltaic Detector, 10.6 µm, 1 mm2 Active Area
¥450,389
Today
VML10T4 Support Documentation
VML10T4HgCdTe Multi-Junction Photovoltaic Detector with TEC, 10.6 µm, 1 mm2 Active Area
¥559,523
Lead Time