光デバイス／受光素子

２３．発光受光兼用素子

　これまで説明してきたように光の検知は基本的にはｐｎ接合があれば可能です。一方発光素子も基本的にはｐｎ接合を使っています。それならば発光素子、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）に外から光を当てると光電流が流れるでしょうか。流れます。受光素子として実用に耐えるかはわかりませんが、とにかく電流は流れるはずです。

　逆に受光素子、例えばｐｎフォトダイオードに順方向電流を流したら発光するでしょうか。これは光らない場合が多いはずです。光るものがあるかもしれませんが、それはまれでしょう。光らない理由は以下で説明したい素子とあまり関係がないので、ここでは説明しません。

　ＬＥＤに光を当てると光電流が流れるということは発光素子は受光素子にも使える可能性があるということです。発光素子と受光素子は光通信や前項のフォトカプラなどでは必ずペアで使われますから、これを兼用できると便利です。

　しかしＬＥＤは効率的に発光するような構造に作られていて、受光素子として使うことは想定されていません。このためＬＥＤをそのまま受光素子として使っても、もともと光検知を目的として作られたフォトダイオードに比べると性能は実用に耐えないのが普通です。そこでなんとか兼用できるようにいろいろな工夫がなされています。ここではそのうちの２つの例を紹介します。

　図２３－１はもっとも単純なｐｎ接合を使った発光受光兼用素子です(1)。光ファイバとの結合を行う光通信用の素子です。図２３－１（ａ）は発光素子として動作している場合、同図（ｂ）は受光素子として動作している場合を示しています。

　素子はｎ型ＧａＡｓ基板の表面（図では下側の面）にｐ型ＧａＡｓ層が作られています。このｐ型層の一部だけにさらに不純物を拡散してｐ^＋の部分を作ります。ｐ型層の表面に絶縁層を着け、ｐ^＋とした部分に孔を開けて電極からキャリアがこの部分にだけ入るようにしてやると、この狭いｐ^＋部分とｎ型層の接合で発光が起きます。基板に溝を設けて光ファイバを接合部分の近づけてやれば、光はほぼすべて光ファイバに入ることになります。電流を狭い部分に集中させ、発光した光をほぼすべて光ファイバに入れるようにしたことで、効率の良いＬＥＤができます。

　一方、図２３－１（ｂ）のように光ファイバを伝わってやってきた光を検知する場合、光ファイバから出る光は光ファイバのコアいっぱいに広がっていますから、素子のｐ^＋部分より広い部分に当たります。しかしこのｐ^＋部分の外側もｐ型層で、ｐｎ接合はできていますからこの部分にできた電子－正孔対も光電流になります。受光の場合はこのように素子全体で発生する電子－正孔対を電流として観測することができます。

　なお、ｐ^＋層とｐ層では少しだけバンドギャップエネルギーが変化します。このため発光ダイオードから出た光の波長範囲を広くカバーできる利点があり、受光素子としての感度と発光素子の効率とを両立することができます。

　もう一つの例を紹介します。この例では発光と受光の場合で素子への接続を変えます(2)。発光素子として動作させる場合は図２３－２（ａ）のようにｐｎ接合を使ったＬＥＤとして動作するように接続します。ｎ型ＡｌＧａＡｓ層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層との間のｐｎ接合に順バイアスするように電源Ｅ１を外部接続をします。これにより右側に示したエネルギーバンド図のように、ｐｎ接合が順バイアスされ、キャリアが注入されて発光が起こります。

　一方、受光素子として使う場合はフォトトランジスタとします。ｎ型ＧａＡｓ層を加えてｎｐｎ型のトランジスタができています。ｎ型層がエミッタ、ｐ型層がベース、ｎ型層がコレクタになるようにエミッタ層とコレクタ層が積層された基板の間に電源Ｅ２を図２３－２（ｂ）に示すように接続します。これにより右側の図に示すようにフォトトランジスタとして動作します。ＬＥＤとして動作するｐｎ接合にもう一層ｎ型層を加えてトランジスタとし、光電流が増幅されるようにしたため、受光素子としての性能も改善されます。

　この他にも発光素子と受光素子を兼用するための工夫がいろいろなされていますが、それぞれの性能をできるだけ高くしなければならない使い道の場合は、それぞれ専用の素子を別々に用意した方がよいでしょう。これに対して、発光と受光の両方の性能ともそれほど高くなくても、コストを安く抑えたい場合や取り付けスペースを極力小さくしたい場合などには発光受光兼用素子が大変有用になるはずです。

(1)特開昭54-022184号

(2)特開昭58-134483号

　

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