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物理システム工学科３年次
「物性工学概論」
第8回光エレクトロニクス(1)
光電変換：太陽電池、CCDカメラ
物理システム工学科量子機能工学分野
佐藤勝昭
第６回の復習
• さまざまな発光
– 励起方法による分類
フォトルミネセンス(PL)、カソードルミネセンス(CL)
エレクトロルミネセンス(EL)、注入型エレクトロルミネセ
ンス(LED)
• 半導体ｐｎ接合
• 発光ダイオード
LEDの原理
•
•
•
•
ｐｎ接合を順バイアス
電子は、ｐ層に注入
ホールはｎ層に注入
界面付近で再結合
ｐ型
再結合
-
+
+
+
+
ｎ型
空間電荷層
第７回（ミニテスト）採点結果
と解答のポイント
• 平均点：73.4点（最低20点、最高103点）
• 問題１：Drudeの式の導出：28.4/40
– 負の誘電率：電磁波の電界が加わったとき、電界と
逆方向の電束密度が生じることを意味し、電磁界を
遮蔽し、媒体の中に入れないように働く。
問題２：５問中２問選択
1. 金属の展性：叩いて塑性変形しても非局在電子の海に
正の原子核が浮かんでいる状態を保つことができる一
方、半導体結晶では、価電子は共有結合を作って原子
間の結合分子軌道に局在しているので、変形すると結
合が保てず破壊が起きる
2. 導電率：=ne。移動度は、温度上昇とともに格子振
動による散乱を受けてゆるやかに低下する。一方、
キャリア密度nは、金属では温度変化しないのに対し、
半導体では温度とともに指数関数的に増加する。
問題２：５問中２問選択つづき
3. 熱伝導は格子熱伝導と電子熱伝導から成り立っている。
ダイヤモンドは、格子熱伝導が主に寄与している。
4. 半導体では、フェルミ準位が価電子帯と伝導帯の間の
バンドギャップ内に来る 。一方、金属では、伝導帯の
内部にフェルミ準位が来る 。
5. 金における赤から緑にかけての高い反射率は自由電
子の集団運動によるDrude則による負の誘電率が原
因である。一方、黄鉄鉱の金色は、バンド間遷移によ
る強い吸収が赤～赤外領域に存在するためである。
問題３：３問中１問選択
1. ヒトの網膜には赤、緑、青の波長にピーク感度をもつ３
種類の錐体があり、３つの細胞の刺激の程度によって
すべての色を感じる。
2. 遷移金属とは周期表のIIIaからVIIIおよびIbにあり、不
完全d電子殻をもつ元素である。電子の海に供給する
電子数が多いことが結合の強さをもたらし、高い融点と
硬さをもたらしている
3. 食品においては、誘電率の虚数部の存在により、マイ
クロ波が吸収され食品が加熱される。一方、セラミクス
においては、誘電率の虚数部のピークは赤外線の周
波数にあるため、マイクロ波の吸収は少なく、加熱され
ない。
問題４：半導体の色
• E[eV] =h[J・s]c[m/s]/(e[C][nm]×10-9) =1240/[nm] （[nm]と
[m]の換算)
– Si (1.1eV)：可視不透明、吸収端の波長は1127nm(赤外)であ
り、これより短い波長は全部吸収する。従って、可視光では不
透明である
– GaP (2.2eV)：橙色、吸収端の波長は563nm(黄緑)で、これよ
り長い波長（赤、橙、黄）を透過、橙色に見える
– CdS (0Kで2.6eV)：黄色、室温における吸収端の波長は
477nm(青)で、緑、黄、赤が透過、黄色に見える
– ZnSe (2.67eV)：黄色、吸収端の波長は464nm(青) 、青緑、緑、
黄緑、黄、橙、赤が透過、無色に近い薄い黄色
– GaN (3.39eV)無色透明、吸収端の波長は365nm(紫外) 、可
視光(780-380nm)は全部透過、無色である。
半導体のバンドギャップと透過光の色
ZnS
白
透過域
Eg=3.5eV
ZnSe Eg=2.67eV
黄
黄
CdS Eg=2.4eV(RT)
GaP
橙
Eg=2.2eV
Eg=1.1eV
Si
800nm
300nm
4eV
黒
3.5eV
3eV
2.5eV
2eV
1.5eV
問題５：半導体の発光
1. フォトルミネセンス：励起＝光、用途＝蛍光灯、プラズ
マディスプレイ(PDP)
2. カソードルミネセンス：励起＝電子線、用途＝ブラウン
管(CRT)、電界放出形ディスプレイ(FED)
3. 真性エレクトロルミネセンス：励起＝電界、用途＝無機
ELディスプレイ、有機ELディスプレイ、
4. 注入形エレクトロルミネセンス：励起＝電子・ホールの
注入、用途＝発光ダイオード(LED)、半導体レーザー
(LD)、大型壁面ディスプレイ、交通信号機
標準解答は佐藤研Web「物性工学概論」にアップしてあります。
第８回で学ぶこと
光電変換：光を電気に変える
• 光伝導(photoconductivity)
• 光電子放出(photoelectron emission)
• 光起電力効果(photovoltaic effect)
– フォトダイオード、フォトトランジスタ
– 太陽電池
光伝導
• 半導体において光照射により導電率が上がる
（電気抵抗が下がる）効果
• 光によって生成されたキャリアが伝導に寄与
• 街灯の自動点灯用センサとして使用される。
• 光電流は必ずしも光強度に比例しない。真性半
導体では光強度の２乗に比例
光伝導
• 光によってキャリア生成
• 電界によって移動する
• 再結合するまで伝導に
寄与
• トラップ準位があると、
キャリアはいったん捕
捉され、熱的に解放さ
れて再度伝導に寄与
街灯の自動点灯
• 夕方になると街灯がひとりでに点灯します
が、光導電素子を使って固体リレーを働
かせ、電灯をオンオフしています
CdS光導電セル
モリリカのHPより
街灯自動点滅器(EEスイッチ） 松下電工のHPより
我が家は
太陽光
発電所
太陽電池について
• 太陽電池は光を電気に変える半導体の素子である。
太陽光のエネルギーの10%程度を電気に変える。
• 太陽電池は乾電池や蓄電池と違って電気を貯める
性質はない。光がないと全く発電しない。太陽光発
電器というべきである。
• 太陽電池の出力は直流である。そのままでは、家
庭用の電源（交流）として使えない。そのためイン
バータという仕掛けを使って交流に変換している。
太陽電池の仕組み
反射防止
コーティング
－
太陽光
上部電極
＋
n型シリコン
ここで
電子と
ホールを生成
p型シリコン
下部電極
太陽電池の仕組み
光起電力の原理
• ｐｎ接合に光照射
• バンドギャップを超える
光によって電子とホー
ルが生成される
• 空間電荷領域の拡散
電位差によって、電子
はｎ層に拡散、ホール
はｐ層に拡散
ｐ型
-
+
+
+
+
ｎ型
空間電荷層
太陽電池の等価回路と特性
開放電圧
短絡電流
佐藤勝昭編著「応用物性」p.153
太陽光スペクトルと理論効率
• AM(Air mass) 1.0ま
たは1.5の太陽光の
エネルギー密度スペ
クトル
太陽電池の材料
シリコン系
•単結晶シリコン: 材料高コスト, 比較的高効率
•多結晶シリコン: 材料低コスト, 中効率
•薄膜アモルファスシリコン: 省資源, 劣化が問題
•薄膜多結晶シリコン: 省資源, 中効率
化合物系
•単結晶GaAs: 超高効率, 高コスト, As含有→宇宙
•薄膜多結晶CdTe: 高効率, 低コスト, Cd含有
•薄膜多結晶CuInSe2系: 高効率, 低コスト
同じシリコンでも
分類
不純物濃度
金属級シリコン
10-2
太陽電池級シリコン 10-6 *
半導体級シリコン
<10-9
用途
（原料）
多結晶太陽電池
ＬＳＩ, 単結晶太陽電池
*Ti, Vについては10-9以下にする必要あり
金属級シリコンに含まれる主な不純物
Al 1500-4000ppm, B 40-80ppm, P 20-50ppm
Ti 160-250ppm, V 80-200ppm
Cr 50-200ppm, Ni 30-90ppm, Fe 2000-3000ppm
太陽光発電システム
•
独立系
系統連携
■太陽電池入門のホームページより
http://homepage2.nifty.com/domi/nyumon.html#m
太陽電池パネル設置作業
インバータ
電力計
フォトダイオード
佐藤勝昭編著「応用物性」p.152
フォトダイオードの動作
• フォトダイオードは、通常、pn接合に逆バイアスを
印加した状態で使用される。空乏層でキャリア生
成、拡散電位差
により分離。
• pinフォトダイオード
高速動作
• アバランシェ・ダイ
オード：電子雪崩
現象で増倍。
浜松ホトニクスのHPよりhttp://www.hpk.co.jp/Jpn/products/ssd/Si_PD/Si_PD.htm
フォトダイオードの用途
•
•
•
•
光ファイバー通信：受信用光検出器
光ストレージ：光ピックアップ用光検出器
各種光センサー：自動ドア、リモコン、自動水栓等
計測用光検出器：赤外線計測
フォトダイオード材料
• IV族
– Si（最もポピュラーなフォトダイオード材料）
– Ge(近赤外線)
• III-V族材料：例) GaInSbAs：光通信用
• II-VI族材料：例) CdHgTe：赤外線計測用
撮像デバイス
ニコンのサイトより
• 静止画像
• 動画像
• CCD (charge coupled device) の動作
– （大日本印刷のHPに動画があります）
• CMOS センサー