【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・正孔対が生成されて電流が流れたりする効果です.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・正孔対が生成されて電流が流れたりする効果です.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のことで,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,電流が流れたりする現象のことです.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解説していきます.

光導電効果

図1 光導電効果

光導電効果と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.原理は図1のようにバンドギャップ以上のエネルギーの光を半導体に照射すると電子・正孔対が生成され,この生成された電子・正孔対が電流の流れに寄与するため電流が流れやすくなり,これにより導電率が変化します.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

図2 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.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.これが図2のように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.キャリアが移動することで起電力が発生しますが,この起電力が光起電力のことです.

図3 光起電力によるpn接合の電流-電圧特性のシフト

光起電力が発生した際には図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.また光起電力効果がある場合にバイアスが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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