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半導体用語集

光電効果

英語表記：photo-electric effect

　広義には，物質が光を吸収して自由キャリア（電子，正孔）を発生したり，電子を放出してイオン化（光イオン化）される現象，およびそれに伴う効果をいうが，より狭い意味では，その結果電気的パラメータ（電気抵抗，電圧，電流など）が変化する効果を光電効果という。光電効果は光のエネルギーを電気エネルギーに変換するのに広く用いられる。物質の表面から電子（光電子）が放出される外部光電効果と，物質の内部に電子や正孔が作られる内部光電効果とがある。
　いずれの場合も，フォトンのエネルギーhv（hはプランクの定数，vは光の振動数）が，自由キャリアを生成するのに必要なエネルギーE(eV)以上の場合に光電効果が観測される。すなわち，これは光の波長λ(μm)を用いて
E≦hv=1.24/λ
という関係で表わされる。これはアインシュタインの光量子説に基づく。
　外部光電効果は，光により照射された物質の表面から電子が放出される現象・効果であり，熱による電子放出（熱電子放出）に対して光電子放出ともいう。またこの時の電子を光電子という。フォトンのエネルギーが物質の仕事関数（金属や半導体ではフェルミ準位と真空準位の差のエネルギー）より大きくなると光電子放出が観測できる。放出電子のエネルギーはフォトンエネルギーと仕事関数の差であり，光電子のエネルギースペクトルを解析することによって，物質の電子構造を調べる光電子分光という分析法がある。また，外部光電効果が顕著な物質としてAg-O-Cs，Na₂KSb-Cs，GaAs(Cs)，InGaAs(Cs)などの，金属や半導体とCsとの組み合わせが知られておリ，光をこれらの材料で作った光電面（負電圧にバイアスされた陰極とする）に入射すると，真空中に光電子が放出される。この光電子を正電圧を印加した陽極で集め，光の強度（単位時間当たり入射するフォトン数）に比例した電流をえることができる。これは光を検出するための光電管に応用されている。
　内部光電効果は，物質に光を照射した時，光のエネルギーを吸収してその内部に自由電子や正孔が作られる現象・効果である。半導体や絶縁体で起こる。これらの物質へ入射した光は，価電子帯の電子を伝導帯に励起し，伝導帯に自由電子を，価電子帯に正孔を作る。この過程による光の吸収を基礎吸収という。フォトンのエネルギーがバンドギャップエネルギー（それに相当するフォトンエネルギーを吸収端という）以上である場合に基礎吸収が起こる。また，バンドギャップの中に作られている不純物準位などを介した電子遷移もあり，価電子帯から不純物準位への遷移による正孔の生成，または不純物準位から伝導帯への遷移による電子の生成などが考えられる。これらの過程による光の吸収を不純物吸収という。この時のフォトンのエネルギーは，不純物準位と価電子帯または伝導帯との差のエネルギー以上になる。
　半導体における内部光電効果を使って，光の検出や光エネルギーから電気エネルギーへの変換ができる。すなわち，光によって作られた電子や正孔により，半導体の比抵抗が変化する光電導効果を使った光電導体やフォトトランジスタ，およびpn接合など半導界面に作られる電界により電子や正孔が空間的に分離されることによって電圧が誘起される光起電力効果を使った太陽電池がある。また，逆方向電圧を印加したpn接合（またはショットキ接触）に光を入射すると，光の強さ（単位時間当たり入射するフォトン数）に比例した逆方向電流が流れ，これを利用したものがフォトダイオードである。

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