【半導体工学】光電効果とは

　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．

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と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，光導電効果と光起電力効果について説明していきます．

　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．

　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．

　半導体が光を吸収すると，電子・正孔対が生じます．pn接合の空乏層では内部電界によって電子がn側へ，正孔がp側へ分離されます．空乏層の外で発生したキャリアも，再結合する前に接合へ拡散すれば光電流に寄与します．外部回路を開いた状態では電荷の分離によって端子間に光起電力が生じます．

　光を照射すると，図3のようにpn接合の電流-電圧特性が光電流の分だけ移動します．端子を短絡して電圧を0 Vにすると短絡電流が流れ，外部回路を開くと電流は0になって開放電圧が生じます．

　光起電力効果がある場合，端子電圧が0 Vのときの電流を短絡電流，外部電流が0のときの電圧を開放電圧と呼びます．光起電力効果はフォトダイオード (PD)に応用されます．