岡田 裕之

富山大学 学術研究部 工学系

「半導体デバイス２」

Semiconductor Devices 2

講義資料(12)

半導体デバイス２講義資料半導体デバイス２講義資料

講義内容 ・・・ 第12回講義内容 ・・・ 第12回

８． 光電素子と太陽電池

8-1 光吸収8-2 光導電セル8-3 フォトダイオード8-4 太陽電池

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光吸収光吸収

半導体中での種々の光吸収による

キャリア発生を考える

光

(1) (2) (3) (4) (5)

(1) バンド間吸収光のエネルギーが、禁制帯幅より

大きいときに起こる

EC

EV

局在準位

光のエネルギー ℎ𝜈 ℎ𝐶𝜆

ここで、 h： プランク定数 (=6.626×10-34 Js), ν： 光の周波数 (Hz),c： 光速 (=3×1010 cm/s), λ: 光の波長 (cm)

吸収端波長 𝜆 ℎ𝐶𝐸

1.2398𝐸 𝑒𝑉 𝜇𝑚

λCより短波長で光の吸収が起こる

波長λC光吸収係数

(1) (2)～(5)

3

光吸収(2)光吸収(2)

光

(1) (2) (3) (4) (5)

(2)、(3) バンド-局在準位間吸収先のバンド間吸収と本過程では、

伝導帯や価電子帯にキャリアが発生

するため半導体の導電率が変化する。

光導電性 (Photoconductivity)と言う

EC

EV

局在準位

(4) 局在準位間吸収キャリアが局在準位のみに発生。キャリアは動けないので、導電率変化は

無い

(5) バンド内吸収自由キャリアにより光が吸収される。金属中の自由電子による吸収と同じ

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光、電子とイオンの波数光、電子とイオンの波数

格子振動を考えると、格子の質量は電子の質量よりはるかに大きい。

そのため、格子振動のエネルギーを電子が受け取ることで、間接遷移を

助けることができる。

kmvℎ

14 1.7 10 2,00010

5 10 𝑐𝑚

光の波数 波長 1 μmとして k2𝜋𝜆

6.281 10 6.28 10 𝑐𝑚

電子の波数

格子定数が、Siで5.42Åなので k𝜋𝑎

3.145.42 10 5.79 10 𝑐𝑚

（参考） 佐藤勝昭：基礎から学ぶ光物性、第8回第2部http://web.tuat.ac.jp/~katsuaki/el/EL2008/slide_hikari08-2.pdf

格子の波数

格子振動の周波数が10 𝐻𝑧程度で、原子間距離2Åの1/1,000動くだけで速度は2,000 cm/sとなる。このとき、

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直接遷移と間接遷移による光吸収直接遷移と間接遷移による光吸収

直接遷移

k

E

間接遷移半導体では、フォノンを介した2段または3段に渡る遷移過程が必要となり、エネルギーEpのフォノンが放出されるか吸収されるかする。そのため、吸収端付近での変化は、直接遷移が急峻に変化する。

波長

log(光吸収係数

) 𝛼 ∝ ℎ𝜈 𝐸

間接遷移

𝛼 ∝ ℎ𝜈 𝐸 𝐸

𝐸 𝐸

𝐸 𝐸

間接遷移半導体の遷移

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実際の光吸収特性実際の光吸収特性

（参考） S. M. Sze: “Physics of Semiconductor Devices”, (2nd ed., Wiley, New York, 1981) 7

光導電セル光導電セル

光の入射によりキャリアが発生

し、半導体の導電率が変化する

現象を利用して光を検出するL

I

断面積A

hν

𝐺 𝑈 Gキャリア連続の式で、𝜕 𝜕𝑥 0⁄ を考えると

定常状態では𝜕𝑛 𝜕𝑡 0⁄ より 𝑛 𝑛 𝐺𝜏正孔についても同様に 𝑝 𝑝 𝐺𝜏

よって、導電率は 𝜎 𝑞 𝑛𝜇 𝑝𝜇 𝑞 𝑛 𝜇 𝑝 𝜇 𝑞𝐺 𝜏 𝜇 𝜏 𝜇

正孔の移動度が著しく小さいとすると 𝜎 𝑞𝑛 𝜇 𝑞𝐺𝜏 𝜇 𝜎 𝜎

よって光電流ILは、 𝐼 𝜎 𝑉𝐴𝐿 𝑞𝐺𝜏 𝜇

𝐴𝐿 𝑉 𝑞𝑔𝐺𝐿𝐴

ここで、gは光利得係数と言い、 𝑔𝜏𝜏

𝜏𝐿

𝜇 𝑉

と書ける

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光導電セル(2)光導電セル(2)

特徴 (1) 利得が大きい、(2) 高周波動作しない

g上昇のためには、 (1) 𝜏 大、 2 𝜇 大、 3 Lが小、が有効

応用 (1) カメラの露出計、(2) 街灯の自動点滅、(3) イメージセンサ、(4) HgCdTeの赤外線センサ ⇒ 衛星搭載用

g1で増幅する

𝜏 𝜏 ：

𝜏 𝜏 ：

セル

セル

セル

バイメタル

ヒーター

AC

出力

材料(μｍ) ・CdS 0.52～0.60 ・PbS 2.2 ・PbSe 4.0・PbSnTe (77K) 1.5 ・HgCdTe (77K) 12

𝑔𝜏𝜏

𝜏𝐿

𝜇 𝑉

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フォトダイオードフォトダイオード

pn接合を逆バイアスとし、逆方向電流が光照射量に比例することを用いる素子

吸収端波長以下の短波長のフォトン１個の入射で、電子正孔対が１対発生する

p形 n形空乏層

光

光電界

発生

空乏層中に光が入射

電子正孔対が１対発生

逆バイアスで、

電子はn形、正孔はp形へ流れて電流となる

効率＝１、利得 g=1

特徴 (1) 利得が１、(2) 高周波動作に向く

応用 (1) 光通信、(2) 光検出利得向上化

アバランシェフォトダイオード10

太陽電池太陽電池

光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子

AM0 (air mass zero) 宇宙空間に於けるエネルギー照射量 (135 mW/cm2)AM1.5 (air mass 1.5) 日本の緯度でのエネルギー照射量 (100 mW/cm2)

0.6 1.2 1.8 2.40

0.5

1

1.5

Wavelength (m)

Spec

tral I

rradi

ance

(W

/m2 ・

nm) AM1.5, 100 mW/cm2

光エネルギーの基準

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太陽電池の動作と特性太陽電池の動作と特性

・空乏層などで発生したキャリアを、内部電界で外に取り出す

・接続する負荷抵抗で取り出される電力が決まり、出力最大点を得る

VOC

-ISC

0

出力最大点Vmax・Imax

𝐹𝐹𝑉 · 𝐼

𝑉 · 𝐼

p+ VE

p形 n形空乏層

負荷

光

光 キャリア発生

IL

VOC：開放電圧 ISC：短絡電流PCE:効率 FF: 曲線因子

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太陽電池のエネルギー変換効率太陽電池のエネルギー変換効率

エネルギー変換効率 ・・・ NREL https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html

現在： Si 26.1% Si HIT 26.7% GaAs 27.8% タンデム 39.2%CIGS 22.6% ペロブスカイト 24.2% ・・・ 記録更新中 13

高効率化の工夫例高効率化の工夫例

（参考） http://denkou.cdx.jp/Opt/PVC01/PVCF1_12.htmlR.A. Andt et al.: Conf. Rec. 11th IEEE Photovoltaic Spec. Conf., p.40 (1975).S. M. Sze: “Physics of Semiconductor Devices”, (2nd ed., Wiley, New York, 1981)

(1) 反射防止膜

膜 反射防止構造 Moth-eye構造(2) タンデムセル (3) 集光構造

禁制帯幅の異なる材料を積層する 強い光で開放電圧とFFを改善

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