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