受光素子とは？仕組みと種類を解説

受光素子とは？仕組みと種類を解説

受光素子の仕組み

受光素子は、光エネルギーを電気信号に変換する電子素子です。その仕組みは、光子が受光素子の半導体材料に当たると、電子が励起されて価電子帯から伝導帯へ移動することによって生じる電流の発生に基づいています。この電流を検出することで、入射光の強さや波長などの情報を電気信号として得ることができます。

受光素子の種類

受光素子は、光を電気信号に変換する半導体デバイスです。用途に応じて、さまざまな種類の受光素子が開発されています。

代表的な受光素子として、光ダイオード（PD）とフォトトランジスタがあります。 PDは光電効果を利用して、入射光に応じて電流を発生させる素子です。一方、フォトトランジスタは光電効果によって制御されるトランジスタで、増幅機能を備えています。

また、受光素子には半導体レーザーや発光ダイオード（LED）などの光を放出する素子もあります。これらの素子は、光通信やディスプレイ用途に使用されています。さらに、抵抗変化素子や光電管など、特殊な機能を持つ受光素子もあります。

CCD受光素子

-CCD受光素子-

CCD（電荷結合素子）受光素子は、デジタルカメラによく使用される受光素子の一種です。CCD素子は、光子のエネルギーを捉える数百万もの小さな光感受性セルから構成されています。各セルは、電荷を蓄えることができる小さなキャパシタとして機能します。

光がCCD素子に当たると、光子は光感受性セル内の電子を励起して電荷を発生させます。この電荷は、各セルのキャパシタに蓄えられます。露光の後に、電荷は素子内の垂直および水平のシフトレジスタを使用して読み出されます。シフトレジスタは、電荷を素子の一端にある出力ノードに順次送ります。そこで、電荷は電圧に変換されてデジタル信号に変換されます。

CMOS受光素子

CMOS受光素子は、撮像素子として使用される半導体デバイスの一種です。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスを使用して製造され、静電容量の変化を電圧に変換して光を検出します。

CMOS受光素子の主な特徴は、低消費電力と高感度です。また、構造がシンプルで製造コストが低いという利点もあり、デジタルカメラやスマートフォンなどの幅広いアプリケーションに使用されています。

受光素子の応用

-受光素子の応用-

受光素子は、光を電気信号に変換する能力を活かし、さまざまな分野で応用されています。

例えば、デジタルカメラでは、受光素子が光を電気信号に変換し、その信号が画像データとして記録されます。また、光ファイバー通信では、受光素子が光ファイバーから届く光の信号を電気信号に変換し、通信を行います。

さらに、センサーとしても使用されており、光の変化を検知して電気信号に変換します。これにより、煙感知器や位置検出器など、さまざまなセンサーが開発されています。

他にも、自動点灯照明や太陽光発電など、受光素子の応用は広範囲に及び、現代社会に欠かせない存在となっています。