エレクトロニクス講義資料

(1)

エレクトロニクス講義資料

鶴剛 ([email protected])

1 第 10 章：光検出器

ver. 2

(2)

Si PINフォトダイオード(S5971) http://optipedia.info/lsource-index/fiberlaser-index/fiberlaser-basic/fl-components/photodiod/

浜松ホトニクス「Siフォトダイオードセレクションガイド」si_pd_kspd0001j.pdf

フォトダイオード

43 Siフォトダイオード

動作原理、等価回路

動作原理

図1にSiフォトダイオードの断面構造の例を示します。受光面側のP型領域 (P層)と基板側のN型領域 (N層)は、PN接合を形成し光電変換部として働きます。Siフォトダイオードの場合、P層は通常ボロンの選択拡散で、1 µm以下の厚さに形成されます。P層とN層の接合部の中性領域を空乏層といいます。

表面のP層・N層および底面のN⁺層の厚さや不純物濃度をコントロールすることで、後述する分光感度特性や周波数特性を制御することができます。

Siフォトダイオードに光が照射され､その光エネルギーがバンドギャップエネルギーより大きいと、価電子帯の電子は伝導帯へ励起され、もとの価電子帯に正孔を残します [図2]。この電子−正孔対は、P層・空乏層・N層のいたる所で生成し、空乏層中では電界のため電子はN層へ、正孔はP層へ加速されます。

N層中で生じた電子−正孔対のうち、電子はP層から流れてきた電子とともにN層伝導帯に残り、正孔はN層中を空乏層まで拡散し、加速されてP層価電子帯に集まります。このように入射光量に比例して発生する電子−正孔対は、それぞれN層・P層中に蓄積され、P層は正に、N層は負に帯電します。P層とN層から電極を取り出し外部回路を接続すれば、N層側からは電子が、P層側から正孔がそれぞれ反対側の電極へ向かって流れ、

電流が発生します。このような電流のもとになる半導体中の電子あるいは正孔は、キャリアと呼ばれます。

KPDC0003JA

KPDC0004JA

この等価回路から出力電流 (Io)を求めると、式(1)のようになります。

開放端電圧 (Voc)は、Io=0のときの出力電圧で、式(2)で表されます。

I'が無視できる場合、Isは周囲温度に対し指数的に増加するため、Vocは周囲温度に逆比例し、I^Lの対数に比例することになります。しかし微弱光を検出する場合は、この関係が崩れてきます。

短絡電流 (Isc)は、R^L=0、Vo=0のときの出力電流で、式 (3)で表されます。

式(3)の第2項、第3項が、短絡電流の直線性の限界を決定する原因となります。ただしRsは数

Ω

程度、Rshは10⁷〜10¹¹

Ω

となり、第2項、第3項は広い範囲において無視できることがわかります。

正電極(アノード)

短波長

空乏層負電極

(カソード)

長波長

P層

N層

N N+

絶縁膜

- -

--

+ ++-

+

入射光

KPDC0002JA

-

- - - -

+ + +

+

伝導帯

価電子帯

バンドギャップエネルギー空乏層

P層 N層

入射光

Io

R^L Rs

I,

VoRsh

Cj I^D

VD

IL

負荷

lL : 入射光による発生電流(光量に比例) VD : ダイオード両端の電圧

ID : ダイオード電流 Cj : 接合容量 Rsh: 並列抵抗 I : 並列抵抗電流 Rs : 直列抵抗 Vo : 出力電圧 Io : 出力電流

Io = I

L

- I

D

- I ,

= I

L

- I

S

(exp - 1) - I ,

... (1) q V

D

k T

IS: フォトダイオードの逆方向飽和電流 q : 1電子当たりの電荷量

k : ボルツマン定数 T : 素子の絶対温度

Voc = ^k T _q ^ln ( ^I

^L

^- I _Is ^, + 1 ... (2) )

Isc = I

L

- Is ( exp ^q ^× ^Isc _k T ^× ^Rs - 1 - ) ^Isc × Rs _Rsh ... (3)

等価回路

Siフォトダイオードの等価回路を下図に示します。

図1 Siフォトダイオードの断面構造の例

図2 SiフォトダイオードのPN接合の状態

図3 Siフォトダイオードの等価回路

2

伝導帯

価電子帯

(3)

フォトダイオード ³

1MΩ

1GΩ Cf 1pF

Vout=-q/Cf

(4)

米本「CCD/CMOSイメージセンサの基礎と応用」

MOS キャパシタ ⁴

0'

3

>@

),

/

3‑'

tV

¥ 9 M O S

1.0x 10'

1.0Xl0 1.0 x 10' 1.0 x 10'

297 1<

,10

Ir i‑

+ ‑

l

OV

1.0 x 10' 1.0 x ¹ 1.0

[um]

'00 0.093

O.3:!

5,10

610 1.⁵

A 700 3.0

5 25C 4.5

4 300 1.5

10ﾗ 10‑ 1

1

1) !1

(Si )

1)

"5''ili:

3 ‑1‑2

Oxidc

43

11 42

SiG,

•(3 ,- (i)

6'

1Y",

<; ‑ c",t

C

_o

(5)

CCD ⁵

52

(a) Self‑Induced Drjft

(b)

(c) Fringing Field Orif^<

li li

‑‑

< ^2, < ^{5V ,}

3‑1 5 3

T

J

b

1

.2 .3

/ = /1

( = (2

r = t3 l = t

CCD Imager

(Full Frame Transfer Type)

(6)

電子情報通信学会「知識の森」

CCD

電子情報通信学会『知識の森』（http://www.ieice-hbkb.org/

⁶

）

8

群－

4

編－

1

章（

ver.1/2011.10.25

）

電子情報通信学会「知識ベース」

©

電子情報通信学会

2011 42/(125)

図

1

・

31 CCD

イメージセンサの代表的構成

次に蓄積部では，一段の転送（ラインシフト）が行われ，水平

1

ライン分の信号電荷束が

HCCD

にパラレル転送される．

HCCD

は転送された信号電荷束を水平方向にシリアル転送し，

1

電荷束ずつ

FD

に注入し，電圧信号として出力させる．この動作を繰返して，

1

フレームの全信号を出力することができる．

FTCCD

における水平画素数は

VCCD

のチャネル数で決まり，垂直画素数は感光部を構成する

VCCD

の転送段数で決まる．

FTCCD

は

1

画素を

VCCD

の

1

転送段だけで構成できるので，構造がシンプルで作りやすいが，以下の欠点をもつ．

( 1 )

蓄積部を必要とするので，チップサイズが大きくなる．

( 2 )

高速のフレームトランスファ動作により消費電力が増加する．

( 3 )

高速転送とはいえ，感光部が電荷転送路になるため，高輝度照射部分を通過することで信号が光を被り，いわゆるスミアと呼ばれる白い帯状の偽信号が発生する．このスミアの量は，フレーム転送周波数に反比例して小さくなる．

( 4 )

映像が

VCCD

のポリシリコン電極を透過して入射するので，短波長光（青色光）の吸収損が大きい．

( 1 )の欠点は蓄積部を極力高集積化することで，ある程度軽減できるがなくすことはできな

い．

( 4 )の欠点を克服すべく，電極を極力薄いポリシリコン膜で形成したり， Indium Tin Oxide

（

ITO

）などの透明電極を用いたり，あるいは，一部を

pn

接合による仮想電極に置き換えるなどの改善策はあるが，何れも抵抗が大きくなり高速転送との両立が難しい．以上の理由で，

FTCCD

はイメージセンサの主流に成り得ていない．

図

1

･

31 ( b )のインターライン転送型 CCD

（

ITCCD

）では，感光素子としてのフォトダイオード（

PD

）と信号電荷束の転送を担う遮光された

VCCD

とで

1

画素が構成される¹⁷⁾．図に示すように垂直方向に並ぶ

PD

の列と

VCCD

をインターライン上に配置されるところに特徴がある．

HCCD

以降の機能は

FTCCD

の場合と同一である．入射光は

PD

内で電子-正孔対に光電変換され，電子が信号電荷束として

PD

内に蓄積される．所定期間の蓄積が終了すると，

VCCD

電極と一体形成されたトランスファゲート（

TG

）が開かれ，信号電荷束は一斉に

（c） FITCCD

VＣＣＤ

HＣＣＤ

（b） ITCCD

PD VＣＣＤ感光部

HＣＣＤ

（a） FTCCD

蓄積部

HＣＣＤ

感光部 VＣＣＤ＝感光素子

感光部 PD

蓄積部

図

14 CCD

イメージセンサの代表的構成

(7)

電子情報通信学会「知識の森」

CCD

電子情報通信学会『知識の森』（http://www.ieice-hbkb.org/）

⁷

8 群－4編－1章（ver.1/2011.10.25）

図 1・29 電荷検出動作シーケンス

t = t₁でリセットゲート（RS）に H レベルパルスが印加され，FD が基準電源電位にリセットされる．t = t2で RS パルスが L レベルに変化し，FD はフローティング状態になる．FD がフローティングになる瞬間以降の RS パルスの変化分が，容量結合によって FD の電位を下降させる．この下降された電位はフィードスルーレベルと呼ばれ，信号の基準レベルになる．

t = t3で CCD の最終転送電極 ₂が L レベルに変化すると，信号電荷束が出力ゲートを越えて FD に転送され，電荷量（電子数）に比例して FD の電位を下降させる．フィードスルーレベルを基準としたこの電位下降分が電圧信号に相当する．この信号をソースフォロア（SF）に入力し，電流増幅して外部に出力する．信号を外部に出力した後，FD は再び基準電源電位にリセットされる．

この過程を繰り返して，時系列電圧信号が得られる．信号電荷量に対する信号出力の比が電荷電圧変換ゲイン GCまたは電荷検出感度と定義され，次式で示される．

GC = A_V･q/C_FD (10)

ここで，AVは 2～3 段ソースフォロアのゲインを示し，一般に 0.9～0.8 になる．CFDは FD 部の静電容量を示す．

式(10)で明らかなように，CFDを小さくすることで，電荷検出感度を高めることができる．

CFDを小さくするための技術の一例を図 1･30 に示す¹⁴⁾．FD に隣接する出力ゲート及びリセットゲートを電荷密度が高い n 層（SF へのコンタクト層）から離間させて FD との結合容量を極力小さくした．改良構造は現在のスタンダードである．

出力

Φ_１

Φ_２

RS

時間 (t)

信号出力

t₁ t_２ t_３ t_４ t_１

t_４ t_３ t_２

時間(t) (b) 電位分布 (c) 動作タイミング

リセットゲート

リセットﾄﾞﾚｲﾝ

（基準電源) 出力ゲート

Φ_１ Φ_２

+Ｖ_Ｄ

n (BCCD)

(a) 断面構造

FD

ｿｰｽﾌｫﾛｱ回路出力

信号電荷束

p-基板

リセット

フィードスルーレベル

信号転送

信号出力

図

12

電荷検出動作シーケンス

フィードスルーレベル

信号レベル

(8)

48 CHAPTER1

Figure 1.12(h) Light shield mask.

Figure 1.12(i) SEM photograph of the amplifier region.

external load resistor on the source produces a voltage change approximately equal to the voltage change on the sense node.

Figure 1.12(k) is the final device after the CCD is bonded into a package. Very small 1-mil aluminum wires are seen between the bond pads and package pins.

HISTORY,OPERATION,PERFORMANCE,DESIGN,FABRICATION AND THEORY 47

Figure 1.12(f) Metal mask.

Figure 1.12(g) Pad mask.

sensitivity of the sense node is approximately 3µV per electron. The voltage at the sense node is impressed on the gate of the output MOSFET, which changes the current flow through the device between the source and drain. Connecting an

HISTORY,OPERATION,PERFORMANCE,DESIGN,FABRICATION AND THEORY 47

Figure 1.12(f) Metal mask.

Figure 1.12(g) Pad mask.

sensitivity of the sense node is approximately 3µV per electron. The voltage at the sense node is impressed on the gate of the output MOSFET, which changes the current flow through the device between the source and drain. Connecting an

CCD

Janesick ”Scientific Charge-Coupled Devices”

8

(9)

X-ray Astronomy CCD

115mm 62mm

Hitomi, the SXI team 62mm

IA

9 http://astro-h.isas.jaxa.jp/diary/1329/

https://user.spring8.or.jp/sp8info/?p=2925 Hitomi (Astro-H)

2016.2.17

Focal assembly of the CCD camera of the

Hitomi satellite.

(10)

CCD vs CMOS Imager Sensor ¹⁰

175

(b) 1

C M O S

6‑1‑2

8

(a )

6‑1

[p

(a)

(b)

174

6‑1‑1

175

(b) 1

C M O S

6‑1‑2

8

(a )

6‑1

[p

(a)

(b)

174

6‑1‑1

(11)

CMOS Imager Sensor ¹¹

(L OC O S ; Local O xidation of

6.2 184

5 2 3 4

M O S

* 2

(12)

6‑2 187

‑T

(j)

(2) +

•

C M O S 186

!

￨

I I

G

6 ‑ 2‑2

190

Vro

̲ J

6‑2 191

x x

FD

^Lo. ^Lo.

FD

Lo.

k T C

C C D

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