PhotoDiodeの受光感度及び量子効率の算出

質問

PhtotoDiの受光感度〔A/W〕、及び量子効率の測定方法を教えてください。

現在、パワーメーターで光エネルギー〔W〕を求めた後に
それをパワーメーターの受光部面積で割って
放射照度〔W/m2〕を求めています。
一方光電流はPhotoDiodeの光電流の面積から
光電流〔A/m2〕を求めています。
従い受光感度〔A/W〕は、光電流/放射照度として求めています。
しかしこの方法で、量子効率を求めたところ
1.0を超えてしまいました。
何が間違えているのでしょうか？

ちなみに量子効率ηは
η＝ (Ip/e)/(P/hν)
Ip〔A/m2〕：e電子の電荷：P〔W/m2〕
で、計算しています。

回答No.2

noname#11476 · ベストアンサー

>Vr=3.3Vで測定しており
これは少し気になりますね。
逆電圧をかけているということですよね。
まあ、多分大丈夫だとは思いますが、、、（あまり電圧が高いと通常のフォトダイオードもアバランシェ効果はあるため）
抵抗をつなげてその電圧を読んでいるのですか？それであればそれが正確なのかどうか。
それとも逆電圧をかけた状態で電流計を挿入しているのであればまだましだと思いますが。

>また光源は660nmのLEDを使用しています。
それであれば特段には問題ないでしょう。

>放射照度はパワーメーターでWを測定し
>受光部面積1cm□で割ることで求めています
これ１ｃｍ□ということはアドバンテストのパワーメーターですかね。きちんと波長補正はしてあるんですよね？

>詳しく教えていただけませんか？
私が測定する場合に、簡易的な方法を採る場合には、

・光源はレンズでコリメートする
　このためＬＥＤであれば先端がレンズになったモールドではなく平板窓タイプなどを選択。
（平行光でないと置いた位置により光量が変動しやすい）
・その光束をフォトダイオードやパワーメータの受光面積よりも狭い（直径で１／２程度がよいです）アパーチャで切り出す。
（面積きちんと同一にするため）
・アパーチャのすぐ後にパワーメータを置いて計測
・同じ位置にフォトダイオードを置いて計測

このときフォトダイオードは電流計を直接つけて順方向電流を測定します。

ただ上記の方法だとフォトダイオードの面積が小さいときには無理があります。
その場合には仕方ないので、フォトダイオードの面積はメーカーの有効面積をそのまま使い、アパーチャはセンサー全面に入るようにします。

本当はより正確に測定するには、積分球を使った方が正確です。このときにはパワーメータは全面が完全に有効というわけでもないから、パワーメータにはアパーチャを張り付けて正確な面積にします。フォトダイオードの方はメーカーの有効面積を使うか、面積が大きければ同じようにアパーチャで制限します。

あと思いつくのは単純な計算ミスとか。。。
単位を間違えているようなこともないですよね。

お礼

またまたご回答ありがとうございます。
ところで、アパーチャーとは何のことなんでしょうか？
勉強不足ですいません。
読んでる印象だと
アパーチャーというもので、
光源の面積を区切っているのでしょうか。
私たちが測定しているPhotoDiodeは大きくても
300um程であり全光束を入れるのには無理があります。
よって、放射照度で求めているのですが。。。
使っているパワーメーターはおっしゃるとおり
アドバンテスト製のものです。
波長補正もやっております。

後は、単純な計算まちがいですか？
一応もう一度確認してみます。

ありがとうございました。

回答No.4

noname#11476

一つ言い忘れていましたが、アドバンテストのパワーメーターは検出部分の中心部と周辺部でも感度が全く同一ではありませんし（仕様では＋／－１０％以内）、絶対精度誤差も数％あり、実際に使った印象では最悪で１０～２０％位は真値からずれることもありうる程度の精度ですから、あまり厳密な測定は出来ませんのでご注意下さい。（十分に注意すれば１０％以内には入ると思うのですが）

より厳密に測定するには積分球を用いた方法、基準となる測定器もより高精度（といっても数％の誤差はありますが）のものを使う必要があります。この世界では一応ＮＩＳＴ（アメリカの計量基準を決めている公的機関）トレーサビリティが一番信頼性が高いです。

お礼

度々回答ありがとうございます。
とても参考になりました。

回答No.3

noname#11476

>アパーチャーとは何のことなんでしょうか？
開口という意味で、通常光学系内部に入れて通過する光の面積を制限するものです。

>光源の面積を区切っているのでしょうか。
そういうことです。

で、ダイオードの面積がかなり小さいようですから、同程度のサイズのアパーチャを用意して、光を切り出して測定してください。
そしてダイオードはアパーチャと極力同じ位置（距離、配置）にして下さい。
今はＬＥＤの光量を均一化していないと思いますから、そのままでは同一の光量比較となりません。

>後は、単純な計算まちがいですか？
その他に気になるのは、逆バイアスをかけている点です。
ピンフォトダイオードであれば３Ｖ程度では大丈夫だと思いますが、安全策でまずは順方向電流の測定の方がよいと思います。
簡単には電流計を両端子に直結します。

お礼

度々回答ありがとうございました。
とても参考になりました。
また、何かの機会がありましたら
よろしくお願いいたします。

回答No.1

noname#11476

>何が間違えているのでしょうか？
通常のフォトダイオードの順方向光電流を見ているのであれば１を越えることはありません。
（アバランシェフォトダイオードは越えますよ。あれは加速された電子が二次電子を作りますので。）

>η＝ (Ip/e)/(P/hν)
>Ip〔A/m2〕：e電子の電荷：P〔W/m2〕
式を見る限りは間違いなさそうですが、、、、

νはどうしましたか？
単色光で計測し他の光は一切ない状態で測定していますか？
単色光でなければスペクトル分布での計算が必要で、それはパワーメータにもいえる話ですよ。

お礼

早速のご回答ありがとうございました。
現在私たちが測定しているフォトダイオードは
Vr=3.3Vで測定しており、アバランシェではありません。
ですので、1.0を超える事は無いはずなのですが。。。
また光源は660nmのLEDを使用しています。
完全な単色光ではありませんが
単色光とみなして測定を進めています。
また、他の光は測定中に入らないように、
暗室で行っています

放射照度がしっかりと測れていないから
このような事が起こるのでしょうか？
放射照度はパワーメーターでWを測定し
受光部面積1cm□で割ることで求めていますが。。。

もし、mickjey2さんの方でやられている放射照度の測定や
量子効率の求め方等ありましたら
詳しく教えていただけませんか？
度々の質問で申し訳ありませんが
ご回答くださると幸いです。