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シリコンの構造と光起電力効果

シリコンの構造と光起電力効果

太陽電池の内部でも光電効果に似た現象が起こっています。

ただし、電子は外部に飛び出さず、光エネルギーを受けた電子が原子核の支配から飛び出して自由電子になるという現象です。

これを内部光電効果というが、特に太陽電池の場合光起電力効果と呼びます。

 

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原子の構造

原子は、正電荷を持った陽子と電荷を持たない中性子からなる原子核、そして、その周囲に存在する負電荷を持った電子からできています。

原子核の周りの軌道を電子が回っている様子を想像するといいでしょう。

電子が存在する軌道郡を電子核といいます。

内側からK殻、L殻、M殻・・・・となり、それぞれの殻は2個、8個、18個・・と内側の殻から2n個ずつ電子が収容できます。

電子殻は内側から埋まっていきますが、一番外側の電子殻と、そこに存在する電子を価電子といいます。

シリコンの単結晶では、隣り合うシリコン原子同士が価電子を8個ずつ共有して安定しています。

ここに光が当たると、価電子が光エネルギーを吸収して軌道を飛び出し、自由電子になるのです。

一方、電子が抜けた後は相対的に正の電荷をもちます。

これが正孔です。

光起電効果で生じる自由電子

エネルギーの高低を資格化したエネルギーバンド図で光起電力効果を表すと、価電子で満たされた価電子帯に属する電子が、光エネルギーを与えられてエネルギーレベルを上げ、電子の存在できない禁制帯をぬけて、エネルギーの高い伝道帯に属するようになったと表されます。

価電子帯は電子が詰まっているために自由に移動できないが、伝導帯は電子が詰まっていないので、伝導帯に属するようになった電子は自由に移動することができます。

これが、光起電効果で生じる自由電子の正体です。

 

エネルギーバンド

原子が単独で存在する場合周回する電子の軌道はとびとびのエネルギー準位に配列されます。

ここにもう1個の原子を近接させて配置すると2個の原子核のもつプラス電荷がつくる電界の分布に変化が起こり、それまで電子が周回していた軌道にも変化が起こります。

電子軌道は,複数の原子核がもつプラス電荷の分布の増加によって、原子を周回する電子の電位(位置エネルギー)が下がり原子間のエネルギー準位を下げます。

それによって複数の原子を周回するようになる場合があります。

この状態を共有結合といいます。

このように,複数の原子がさらに複数の電子軌道をつくり複数の電子軌道群を形成します。

こうしてつくられた電子軌道群は、各電子軌道間のエネルギー準位差(電位差)が小さくなりリニア(連続)領域に近い状態になります。

このように非常に多くの電子軌道がリニア状態となったエネルギー帯域をエネルギーバンドといいます。

価電子が共有される電子軌道群(エネルギーバンド)を価電子帯、また電子軌道が全く存在しないエネルギーバンドを禁止帯または禁制帯といいます。

また最外殻にある自由電子によりつくられるエネルギーバンドを伝導帯といいます。

 

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シリコン原子と単結晶

シリコン原子は、原子核の周りに14個の電子が存在し、一番外側の電子殻には4個の価電子が存在しています。

単結晶シリコンでは、隣り合うシリコン原子がその価電子を共有しあい、価電子8個で安定した状態を保っています。

 

 

まとめ

 

今回は、半導体の中で起こる内部光電効果についてみてきました。

人類が抱えているエネルギー問題、

現在の暮らしを見つめなおして、

未来の暮らしを考えてみましょう。

それでは、最後まで読んでくださって

どうもありがとうございました!^^

よろしければシェアやコメント等

してくださると幸いです◎




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