概要

光電効果とは、物質に光が当たると中から電子が飛び出てくる現象である。
光のエネルギーは E=hν/λ プランク定数:h = 6.626×10-34 Js で定義されている。よりエネルギーの大きい光の方が光電効果を生じやすい。


図1 光電効果の例

また、大きく分けて、外部光電効果と内部光電効果がある。

外部光電効果

物質に光を照射すると、電子(光電子)が物質の表面から放出される。この現象を外部光電効果、光電効果と言う。広義には電子のみならず、原子や分子が外部に放出される現象も含める。また、気体の原子や分子が自由電子を放出する光イオン化(英: photoionization、光電離)も広義の外部光電効果である。

光電子の放出は物質に一定の振動数以上の光を照射した時のみ発生する。このときの振動数を限界振動数 ν0 と言う。またその時の波長を限界波長 λ0 と言い、これらの値は物質に依存している。

内部光電効果

半導体や絶縁体に充分に短波長の光を照射すると、物質内部の伝導電子が増加する現象、またそれによって起こる電気伝導率が増加するなどの現象を内部光電効果と言う。光伝導、光導電とも言う。半導体や絶縁体において、価電子帯や不純物準位などにある電子が光子のエネルギーを吸収し、伝導帯などへ励起される。この励起された電子を光電子と呼ぶ。これによって伝導電子や正孔が増加するため、導電性が増す。この性質を光伝導性、光導電性という。

この効果は半導体のみならず、酸化物や硫化物、有機物など非常に多様な物質で見られる。

応用例

外部光電効果

外部光電効果の応用例としては、外部光電効果型の光センサ(光電管、光電子増倍管や撮像管など)がある。光電面には仕事関数の小さいアルカリ金属が用いられる。内部光電効果を利用したものに比べて暗電流が少ない、線形性が良いなどの特徴を持ち、光やX線の高感度検出や精密測定に用いられる。特に光電子増倍管は汎用の超高感度光センサとしての用途が広く、原子吸光分析法等、各種の研究開発や工業生産・測定などの現場で利用されている。

また、放出された光電子のエネルギーや運動量を調べることで物質内部のバンド構造や表面状態などを調べられるため、光電子分光法などの分析手法にも応用される。

内部光電効果

一般に内部光電効果を用いた場合、低電圧で駆動可能、小型化しやすい、丈夫で長寿命、などの利点が得られる。

内部光電効果型の光センサ
フォトダイオードや固体撮像素子 (カメラのCCD、CMOSイメージセンサ)など、接合を用いた半導体光センサ
硫化カドミウムなどを用いた光導電セル
セレンを用いた撮影用フィルムの感光剤、複写機の感光ドラムなど
太陽電池も内部光電効果型の受光素子と言えるが、用語としては光起電力効果が多く用いられる。

 

参考 wikipedia ( https://ja.wikipedia.org/wiki/光電効果 ) など