半導体工学名城大学理工学部材料機能工学科岩谷素顕 12-1 本日の内容回数 12-2 項目内容 1 電子統計1 次元の制御と状態密度真性半導体 2 電子統計2 不純物半導体 n型 p型 3 電気伝導移動度ホール効果拡散係数アインシュタイン関係式 4 ダイオード1 ポアソン方程式バンドダイヤグラム空乏層空間電荷層拡散電位階段接合キャリア寿命 5 ダイオード2 傾斜接合接合容量逆方向飽和電流温度特性電子雪崩 6 バイポーラトランジスタ1 エミッタ効率ベース輸送効率ベース接地電流増幅率 7 バイポーラトランジスタ2 エミッタ接地電流増幅率アーリー効果 8 バイポーラトランジスタ3 周波数特性 9 サイリスタターンオン条件 GTO 10 金属と半導体の接触ショットキー障壁オーム性接触リチャードソン定数 11 FET1 MESFET 静特性高周波特性 12 FET2 MOSTFETのバンドダイアグラム静特性 Nチャネル Pチャネル 13 FET3 エンハンスメントディプレッション CMOS 14 IMPATT、PD、太陽電池 IMPATT PD 太陽電池 LED、LD 衝突イオン化、光吸収、量子効率、フィルファクター、タンデム衝突イオン化光吸収量子効率フィルファクタタンデムセル直接遷移、間接遷移、発光色とバンドギャップ、反転分布、キャリア閉込、光閉込、ファブリ・ペロー共振器 TTL 本日の内容 1 光電効果の復習 1. 2. 半導体光導電素子 3 太陽電池＆フォトダイオード 3. 太陽電池＆フォトダイオド 12-3 光電効果二極真空管 12-4 光電管に関する以下の問題について考えてみましょう光電管は、 (a)飛び出す光電子の数は、光の強さに比例する。 (b)光電管が反応するためには、光の限界振動数があり、振動数がそれより小さいと、いくら光が強くても反応しない。（限界振動数は、金属により異なる。） (c)光電子の最大のエネルギー(qV (c)光電子の最大のエネルギ (qV0)は、光の強度には関係なく、光の振動数が高いほど )は光の強度には関係なく光の振動数が高いほど大きい。という特徴がある。光電管光光電子 A V 電流 I ＊上にかかれた現象(b),(c)を、エネルギー図を用いて説明しなさい。その時、真空準位、仕事関数、光の速度ｃ、プランク定数ｈを用いなさい。 12-5 ＊赤外線でも紫外線でも反応する陰極をもつ光電管と紫外線のみ反応する陰極を持つ光電管では、陰極を形成している金属のどのような物性が異なるのか答えなさい。解答例光子エネルギ光子エネルギー h   h c  6.626 10 34 [ J  s ]  2.998 108 [m / s ]  1.602 10 19 [ J / eV ]  [m] 1,240  [eV ] [nm [nm] 12-6 解答例運動エネルギ運動エネルギー h W h-W 光電子エネルギー真空準位 h (b) h   W が光電子発生の条件仕事関数W (c)光電子の最大運動エネルギーはギは h   W 電子 Ef 陰極表面陰極金属 12-7 解答例エネルギーエネルギタングステン(W)のW=4.6 テン(W)のW 4 6 [[eV] V] 真空準位タングセシウム(Cs)のW=2.14 [eV] 仕事関数W Ef 電子 12-8 W陰極の場合の光電子発生の最長波長：270 [nm] Cs陰極の場合の光電子発生の最長波長：579 [nm] 受光機構光エネルギ光エネルギー電気エネルギーに変換半導体(固体) 12-9 設問入射した光のうちどれくらいが固体体内に入るかは、固体の何によって決体まるか?またその量を定式化しなさい。光半導体(固体) 12-10 設問解答例反射率R 光空気(n1=1) n2 半導体(固体)  n 1  R   2   n2  1  従って透過率Tは T  1 R n1,n2は屈折率 2  n 1   1   2   n2  1  4  n2  (n2  1) 2 2 例 n2=3のとき T=0.75 n2=2のときとき T=0.89 12-11 設問 n=3の半導体表面にn=1.5の薄膜がコーティングしてある場合半導体への透過率はどのようになるか? ただし薄膜は光場合、半導体への透過率はどのようになるか? 吸収がないと仮定する。また多重反射の影響は無視する。光 n=1.5 n2=3 半導体(固体) n1,n2は屈折率 12-12 設問解答例光 4 1.5 (1.5  1) 2 6  6.25  0.96 T1  T1 n=1.5 T2 n2=3 4  3 1.5  0.96 (3  1.5) 2  0.853 T2  cf. 薄膜がない場合 T=0.75 12-13 固体内の光吸収固体内の光吸収・・・吸収係数α 吸収係数光光強度 x 半導体 Exp(-・x)で減衰 I=I0・Exp(-・x) I0：表面での光強度 :吸収係数[cm-1] 12-14 半導体の種類と吸収係数α 吸収係係数[cm-1] 105 103 急峻だらだら 1 10 101 12-15 波長[m] SiおよびG のE k関係 SiおよびGeのE-k関係伝導帯下端と価電子帯上端のkが異なる。 12-16 G A のE k関係 GaAsのE-k関係伝導帯下端と価電子帯上端のkは同じ 12-17 直接遷移と間接遷移直接遷移 12-18 間接遷移直接遷移光の波数 k 2 ex. =500[nm]のとき k=1.26×105[cm-1]  半導体中の電子の波数例えば、ブリルアンゾーンの端では k  a  6.28 107 [cm 1 ] (a=5Åのとき) 12-19 電子による光の吸収と運動量保存光の運動量は電子の運動量に比べ小さいので、kの変化は殆どない。 →直接遷移 12-20 間接遷移の場合 Ph Phonon=格子振動の量子化格子振動の量子化 12-21 間接遷移の場合の運動量保存則 12-22 半導体受光素子その1 体素・・・光導電素子素動作原理による分類＊光導電素子実際の素子概観 12-23 http://www.hpk.co.jp/Jpn/products/ssd/si_pd/general/Visible.htm 光導電素子の動作原理光  L 光電流 Iph＝qA×g＝qgwL 電極 w t 量子効率 g：利得 q：素電荷 A 受光面積 A：受光面積またIphは I ph 12-24 wtV qn e wtV V    R L L 光導電素子の動作原理光照射により生成される過剰キャリアnは寿命とすると光照射により生成される過剰キャリアnは、寿命とすると定常状態では dn   n   dt t    n  t  従って利得gは g   eV L2 12-25 光導電素子の動作原理ドドリフト速度v 速度 dは vd   e E   e V L L2 電極間を走行する平均時間ttは tt   eV 最終的に利得gは g eV L2   tt → キャリア寿命が長く、電極間走行時間ttの短い、即ち電極間距離Lが短い素子ほど感度が高い。ち電極間距離Lが短い素子ほど感度が高い 12-26 半導体受光素子その2 体素・・・光起電力素子起素 pn接合のように内蔵電界を有する素子は、光照射により光電流を生じる。これらを総称して光起電力素子と呼ぶ。太陽電池も含まれる。一般にはセンサとして使う場合をフォトダイオードと呼ぶ。 pn接合型Siフォトダイオード概観 12-27 http://www.hpk.co.jp/Jpn/products/ssdpro.htm# 太陽電池にい太陽電池について 12-28 http://www.cqpub.co.jp/toragi/trsample/2002/tr0211/0211toku.pdf 太陽電池にい太陽電池について単結晶Si 多結晶Si アモルファスSi 12-29 フォトダイオードの構造トダイオドの構造光 p電極反射防止膜絶縁膜 p層層 n層層 n電極電極 pn接合フォトダイオードの断面 pn接合フォトダイオドの断面 12-30 太陽電池の動作原理光 p層 n層 12-31 フォトダイオードの動作原理トダイオドの動作原理   qV I  I s exp( )  1 k BT   光  qDe  ni 2  qDh  ni 2     I s  { } A L N L N  e  A  h  D p層予め、逆バイアスをかけて置く。 12-32 n層光照射により生成された過剰キャリアによりIsが増加する。太陽電池と太陽電池とフォトダイオードの比較トダイオドの比較フォトダイオードとしての動作領域＝太陽電池としての動作領域 12-33 Si フォトダイオードの分光感度特性トダイオドの分光感度特性 12-34 Si フォトダイオードの分光感度特性トダイオドの分光感度特性 h・ この分のネルギは無駄になる Ec この分のエネルギーは無駄になる。 Eg=1.1eV EV 一光子につき、一電子正孔対が生成 12-35 まとめ  受光素子の動作原理 12-36