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ための電子素子です。その基本的な仕組みは、光子が受光素子の半導体材料に当たることで、電子が励起され、価電子帯から伝導帯へ移動することにより発生する電流に依存しています。この電流を検出することで、入射する光の強さや波長などの情報を電気信号として取得することが可能となります。

受光素子の種類

受光素子は、光を電気信号に変換する役割を持つ半導体デバイスであり、様々な用途に応じて異なる種類が開発されています。

代表的な受光素子には、光ダイオード（PD）とフォトトランジスタがあります。光ダイオードは光電効果を利用して、入射する光に応じた電流を生成する素子です。一方で、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あり、増幅機能を備えているため、より強力な信号出力が可能です。

さらに、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存在します。これらは光通信やディスプレイ技術に幅広く利用されています。加えて、特殊な機能を持つ受光素子として抵抗変化素子や光電管などもあり、多様な応用が可能です。

CCD受光素子

-CCD受光素子-

CCD（電荷結合素子）受光素子は、主にデジタルカメラで一般的に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ために数百万もの小さな光感受性セルで構成されています。これらの各セルは、電荷を蓄えることができるキャパシタとして機能します。

CCD素子に光が当たると、光子は光感受性セル内の電子を励起し、電荷を生成します。この電荷は各セルのキャパシタに蓄えられます。そして、露光が終わった後、電荷は素子内の垂直および水平のシフトレジスタを通じて読み出されます。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信し、そこで電荷は電圧に変換され、最終的にデジタル信号に変換されるのです。

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あり、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスを用いて製造されます。このデバイスは、静電容量の変化を電圧に変換して光を検出します。

CMOS受光素子の特筆すべき特徴には、低消費電力と高感度が挙げられます。また、その構造はシンプルで、製造コストが比較的低いため、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での利用が進んでいます。

受光素子の応用

-受光素子の応用-

受光素子は、その光を電気信号に変換する能力を活かし、多岐にわたる分野での応用が進められています。

例えば、デジタルカメラにおいては、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保存される仕組みになっています。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送信される光の信号を電気信号に変換し、これを用いて通信が行われます。

さらに、受光素子はセンサーとしても広く用いられており、光の変化を検出し、それを電気信号として変換する機能を持っています。この技術により、煙感知器や位置検出器など、様々なセンサーが開発されています。

他にも、受光素子は自動点灯照明や太陽光発電システムなど、より幅広い分野においても応用されており、現代社会においては欠かせない存在となっています。