物理システム工学科３年次 物性工学概論 第火曜１限0023教室 第６回 光電変換 大学院ナノ未来科学研究拠点 量子機能工学分野 佐藤勝昭 第５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 再結合 ｐ型 - + + + + ｎ型 空間電荷層 第５回の問題 励起のメカニズムによりルミネッセンスを分類し、それ ぞれどのように応用されているかを述べよ。 A: 光で励起：フォトルミネセンス(PL)：蛍光灯、PDP 2. 電界で励起：エレクトロルミネセンス(EL):無機EL, 有機EL 3. キャリア注入で励起：発光ダイオード(LED)：信号機、電光掲 示板 4. 電子線で励起：カソードルミネセンス(CL):CRT, FED 1. 質問コーナー 授業の中でホールの質量というものが出てきま したが、ホールは電子の抜け穴と習いました。 穴に質量があるのですか。（荒井） A:水の中のあぶくと、水飴の中のあぶくでは動きやす さが違いますよね。穴は、周りの物体が穴に移動し、 もとの場所に穴があくことで移動します。穴の有効質 量というのは、周りにある電子の有効質量なのです。 伝導電子の有効質量と同様に、価電子帯ホールの 有効質量はｋ空間におけるバンドの曲率の逆数です。 質問コーナー 電気エネルギーもかけず、光を遮断しても光る物質があ りますが、なぜ光っているのですか。（鈴木） A:昔の夜光時計の文字盤には放射性夜光塗料が使われてきま した。これは、ZnS系蛍光体にRa226（ラジウム226） 、 Pm147（プロメチウム147）やH3（トリチウム） などの放射性 物質を添加し、高エネルギーの放射線で励起していました。環 境への影響への配慮から、最近では、放射性物質を使わない 「蓄光性塗料（長残光性蛍光塗料）」が使われます。これはアル ミン酸ストロンチウムに希土類元素を組み合わせた蛍光体によ り、ごく僅かな光の励起で長時間残光が継続します。日常生活 での標準的な明るさである５００ルックスの光が約１０分間照射 されている条件で暗闇の中で光を放つ時間は３～８時間程度 と従来の蓄光塗料と比較すると約１０倍以上も長いそうです。 http://www.tokunaga.ne.jp/doc/monogatari/09.htmlによる 第6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 伝導帯 電子 トラップ ホール 価電子帯 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 自動点灯するわけ 光を受けて抵抗が低くなる CdS光伝導センサーと固体 リレーが接続されており、明 るいときにはランプの回路が 開くようにしておく。暗くなる とリレーの電流がoffになり、 接点が閉じてランプが点灯 する。 リレーって何？ 大きな電流を、弱い電流（または小さな電圧）で on/offするための装置: 例）ランプの点滅 http://www.omron.co.jp/ecb/magazine/p29.html (オムロンのHPより) スイッチとリレーでランプを点灯させる １）S1を押します（ON） ２）操作コイルに電流iが流れ鉄心を磁化します。 ３）電磁力によって鉄片は鉄心に吸引されます。 ４）鉄片が鉄心に吸着されると、可動接点と固定接点が接触しランプが点灯します。 ５）S1をもどすと（OFF）操作コイルの電流がなくなり鉄片を吸着する力が消滅して、復帰バネの力で鉄片はもとの 状態へもどります。 ６）鉄片がもとの状態にもどると接点部が離れ、ランプは消えます。 http://www.omron.co.jp/ecb/magazine/p29.html 機械式リレーと固体リレー 機械式リレーは、電磁石の原理を応用し ている。リレーの入力側コイルに電流を 流すと電磁石の原理により出力側機構 が稼動し、出力側切替接点が切り替わり、 出力信号の制御を行う。 固体リレーでは、可動部がなく、フォト・カ プラと駆動回路、そしてトライアックまたは サイリスタの半導体スイッチから構成され ている。 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 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 AMって？ 赤道直下 中緯度地帯 AM1.0 空気層 地上 Am1.5 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 静止画像 動画像 CCD (charge coupled device) の動作 CMOS センサー ニコンのサイトより CCDカメラの中身(Asca corpのHPより） http://askasg.net/popeye/009_20040 225.html 第８回の問題 夜になると街灯が自動的 に点灯する仕組みを説明 せよ。 pn接合が発光ダイオード （光源）にもフォトダイオー ド（光センサー）にもなる 理由を考えよ。 ６／８ ミニテストについて 指定に従って着席する。学生証を机の上に提示 参考書１冊持ち込み可 カンペA4１枚持ち込み可： たとえば、佐藤・越田：応用電子物性工学、コロナ社、佐藤編 著：応用物性、オーム社、山田・佐藤他著：機能材料のための 量子工学 コピー・ワープロ不可 自筆に限る。記名して必ず提出。 電卓は持ち込んだ方がよい 式の誘導はDrude則のみ 基礎知識と物理的思考を問う問題を出題 昨年度のミニテストの問題・解答例参照 http://www.tuat.ac.jp/~katsuaki/BMiniTest030527.html
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