【半導体工学】光電効果とは

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工学

 光電効果はある物質に光を照射したときに,電子が飛び出したり,電子・正孔対が生成される効果です.光電効果には外部光電効果と内部光電効果がありますが,本記事では,半導体における内部光電効果ついて解説していきます.

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光電効果

 光電効果はある物質に光を照射したときに,電子が飛び出したり,電子・正孔対が生成される効果です.光電効果は外部光電効果内部光電効果があります.

 外部光電効果は金属などの物質に仕事関数以上のエネルギーをもつ光を照射することで,電子がその物質の外に飛び出す現象です.一般に光電効果というと,この外部光電効果のことを指すことが多いです.

 内部光電効果は半導体や絶縁体などの物質に光を照射することで,その物質内で電子・正孔対が生成され,電流が流れる現象のことです.本記事では半導体における内部光電効果である,光導電効果光起電力効果について説明していきます.

光導電効果

 光導電効果は半導体などの物質に光を照射することで,その物質の導電率が変化する効果です.光導電効果の概念図を図1に示します.

図1 光導電効果

 物質に,バンドギャップより大きいエネルギーの光を照射すると,電子・正孔対が生成されます.生成された電子・正孔対によって,電流が流れやすくなります.つまり,導電率が変化します.これが光導電効果です.補足ですが,この受光素子での受光能力の指標として,光利得係数 Gがあります.

光起電力効果

 光起電力効果は半導体などの物質に光を照射することで起電力が発生する現象のことです.図2に光起電力効果の概念図を示します.

図2 光起電力効果

 光導電効果で説明したように,半導体に光を照射すると電子・正孔対が生成されます.これがpn接合の空乏層内で起こると,pn接合の内部電圧により,電子はn型半導体に,正孔はp型半導体に移動します.このキャリアが移動によって,起電力が発生します.この起電力が光起電力です.

 光起電力が発生した際は,図3のようにpn接合にバイアス (電圧)をかけていない場合でも,逆向きに電流が流れます.このように光起電力効果がある場合には,pn接合の電流-電圧特性はシフトしたグラフになります.

図3 光起電力によるpn接合の電流-電圧特性のシフト

 光起電力効果がある場合,バイアスが0 Vのときの電流を短絡電流,電流が流れないときの電圧を解放電圧を呼びます.光起電力効果はフォトダイオード (PD)に応用されます.

まとめ

  • 光電効果:ある物質に光を照射したときに,電子が飛び出したり,電子・正孔対が生成されて電流が流れたりする効果
  • 外部光電効果:金属などの物質に仕事関数以上のエネルギーをもつ光を照射することで,電子がその物質の外に飛び出す現象
  • 内部光電効果:半導体や絶縁体などの物質に光を照射することでその物質内で電子・正孔対が生成され,電流が流れたりする現象
  • 光導電効果:半導体などの物質に光を照射することでその物質の導電率が変化する効果
  • 光起電力効果:半導体などの物質に光を照射することで起電力が発生する現象

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