□ H19年08月期 B-02  Code:[HC0201] : フォトダイオードの動作原理と、光量を増加させた時の電流の増減の関係
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05/14 04月期問題頁掲載
01/11 12月期問題頁掲載
2021年
10/17 09月期問題頁掲載
H1908B02 Counter
無線工学 > 1アマ > H19年08月期 > B-02
B-02 次の記述は、ホトダイオードの動作について述べたものである。[ ]内に入れるべき字句を下の番号から選べ。
 PN接合ダイオードに[ア]電圧を加え、接合面に光を当てると、光のエネルギーが吸収されて、光の強さに[イ]した数の正孔と電子の対が生じ、接合部の電界によって電子は[ウ]の方向へ、正孔は[エ]の方向へ移動して電流が[オ]する。
 順方向  逆方向  比例  反比例  増加
 減少  P形  N形  交流 10 高周波

(エレキの世界では、「フォト」ダイオードと記述するケースが多いですが、ここでは国家試験の記述に従い、「ホト」ダイオードとします。)

[1]動作原理はLEDの逆

 細かい差異に目をつぶり、大雑把に言ってしまうと、ホトダイオードとは、電流を光に変換する発光ダイオードとは逆に、光を電流に変換する素子です。
Fig.HC0201_a ホトダイオードの構造と動作
Fig.HC0201_a
ホトダイオードの構造と動作
 LEDではPN接合に順方向の電圧をかけて、流れる電流により電子と正孔が接合面で再結合するときに発するエネルギーが光になるものでした。
 ホトダイオードでは逆に、PN接合面に光を照射すると、再結合とは逆のプロセスで電子とホールの対ができ(Fig.HC0201_a)て、外側に電流の経路があればここを流れてゆきます。
 発生した電子−正孔対を外部に電流として引き出すため、通常は逆バイアスをかけて使用しますが、ゼロバイアスで使用することもあります。ホトダイオードは入射する光の波長によって、感度が異なります。(下記に詳述)

 なお、PN接合面に光を照射すると、電子−正孔対を生成する現象を光起電力効果といいます。通常は、(光を粒子として見た時)光子一つにつき、一つの電子−正孔対を生成します。但し、光子が電子−正孔対を生成するのは、光の波長や半導体側の物性によって決まる「確率」であって、入射した光子が100%、電子−正孔対を生成するわけではありません。
 現在も、太陽光発電に用いる太陽電池パネルの効率アップの研究がおこなわれているのは、この「確率」を上げる研究に他なりません。

[2]光あるところにホトダイオードあり、というほど応用は広い

 応用としては、単純に紫外光から赤外までの光の強さを信号に変えるセンサーとしての役割があります。光通信の受光部や、無人の時には照明が切れる人体の検知センサ、物が遮ったことを検知するセンサなどもあります。変り種では、デジカメやハンディビデオカメラ、またデジタルコピー機などに搭載されているCCDやCMOSセンサは、このホトダイオードを2次元又は1次元にたくさん並べた構造で、画像が取り込めるようにしたものです。

それでは、解答に移ります。
 …ホトダイオードではPN接合に印加するのは、通常2逆方向電圧です
 …正孔−電子対の発生数(=電流)は、光の強さに3比例します
 …電子は8 N形にかかっている正の電位に引かれます
 …正孔は電子とは逆の、7 P形にかかっている負の電位に引かれます
 …光を照射すると、電流は5増加します
となります。