・光電管
電子を放出する陰極と電子を吸収する陽極とを通常ガラスで出来た真空容器内に封じ込んだ二極管と構造は殆ど変わらないが、陰極は熱陰極ではなく光電陰極で出来ている。
電極間に電圧が加わった状態で陰極に光が照射されると電子を放出し、陽極に集められる。このとき印加電圧が低いと放出された電子の一部は陽極に到達しないことがあり、入射光が一定であっても陽極電流は電圧とともに増加することになる。印加電圧が一定以上になれば、全ての電子が陽極に到達するので電流は飽和し、その電流値は光の強さに比例する。
・太陽電池
基本的な構造は半導体のpn接合からなる。太陽電池に光が照射されると、光起電力効果により光起電力を発生させ電力を取り出すものである。
・フォトダイオード
基本構造はpn接合であるが、通常強い逆バイアスをかけた状態で動作させる。したがって図5に示すようにバンド図が大きく曲がった状態になっている。光が当たると自由電子と正孔の対を発生し、接合にかかっている強い電界によってドリフトするため、外部回路に電流が流れる。
・フォトトランジスタ
バイポーラトランジスタとほぼ同様の構造の素子であるが、ベース領域の電極は設けずに、ベース領域に光が当たるように作られている。動作時にはベース-コレクタ接合が逆バイアスになるように作られている。
フォトトランジスタに光が照射されると、ベース領域で電子と正孔の対が発生、正孔がコレクタ領域に流れ去る。こうして、光照射下ではベース領域に多数キャリアの電子が増加することになり、ベース領域は負に帯電する。これは通常のpnp形バイポーラトランジスタでベース電極に逆バイアスを印加したときと同じ状態と考えることが出来、ベース領域の帯電状態に応じて大きなコレクタ電流が流れることになる。このコレクタ電流は、光照射によりベース領域で発生した電子と正孔の対の数よりも遥かに大きい。
考察。
１．真空光電管とガス入り光電管の特徴
真空光電管は基本構造が二極管と類似しているため、電圧電流特性は二極真空管の静特性とよく似た曲線となる。電流値は照度に比例し、また大きな周波数の変化に対応できる。周波数によらず感度は常に一定で、ノイズが少ない。
ガス入り光電管は、低圧（0.1～1mmHg程度）の不活性ガスが封入されており、陰極から放出された電子は両極間の電界によってある程度加速されるとガス分子と衝突、その分子をイオン化させ、そうして発生したガスイオンが加わるためその感度は5～10倍にまで上がるが、応答時間が長く高い周波数の変化には対応できない。
２．照度-電流特性の相違
図15より、フォトトランジスタ以外の素子では照度-電流特性のグラフは直線になり、フォトトランジスタは徐々に勾配が小さくなる曲線になった。
前者は前レポ課題で調べたことで説明が出来る。（内部、外部問わず）光電効果、光起電力効果ともに入射する光の量が多ければ、放出される光電子の量、発生する光起電力の大きさは双方とも大きくなる。つまり照度が大きければ電流も大きくなるということであり、その関係は比例関係にあると言える。
後者はフォトトランジスタの基本構造であるバイポーラトランジスタの増幅作用によるものだと考えられる。勾配が小さくなっているのは、光起電力が飽和しているためと考えられる。正孔はエネルギーの高いところに集まるが、周りのエネルギーが低いためにベース領域にとどまる。これによりエネルギーの高いところで正孔が埋まり、電子と正孔の対が出来にくくなるのが、光起電力の飽和の原因と考えられる。
また、各素子によって流れる電流が大きく異なっている。これは、素子それぞれの構造が異なっているためだと思われる。またこの差異は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率そのものの差異として見ることも出来る。
フォトトランジスタの増幅率は10～10^3程度であると参考文献に記してあったが、実験結果から、確かに10～10^3程度の増幅が見られたことを記しておく。
３．光束及び照度の定義
単位時間当たりに発散または伝播する光量を光束（luminous flux）といい、全ての方向に一様に1[cd]の光度を持っている点光源から単位立体角内に発散される光束を1[lm]という。この点光源から出る全光束は4π[lm]となる。
照度は、光に照らされている面の光束密度を言い、照射を受けている面上の1点を囲む微小面積dSが光束dFを受けているとすると、照度Eは
E=dF/dS
で表される。つまり、
[lx]=[lm/m^2]
であり、SI基本単位だけで表すと、
[lx]=[cd・sr/m^2]
となる。
４．指向性感度を表す2つのグラフの特徴
便宜上、図11(a)のようなグラフを極座標表示、図11（b）のようなグラフを直交座標表示と呼ぶことにする。
極座標表示では、素子がどの角度からどの角度まで反応するかを視覚的に判断できる。つまり、グラフの軌跡が丸みを帯びれば帯びるほど大きな角度でも反応し、逆に鋭利になればなるほどある一定の方向からでなければ反応しなくなる。このようなグラフではそうした特性、指向性感度を掴みやすいが、どの角度に対してどれだけの電流が流れるかを判断するのが難しい。
直交座標表示では、どの角度に対して電流がどれだけ流れるかを読み取りやすいが、逆に指向性感度を読み取るのは難しいと思われる。
今回の実験では、フォトダイオードとフォトトランジスタの2つの指向性感度について測定を行い、2種類のグラフを作成した。
図11（a）より、フォトダイオードは指向性感度がフォトトランジスタと比べると鈍く、また正面より若干ずれた角度で電流が最大となった。
図15（a）より、フォトトランジスタは指向性感度がフォトダイオードより鋭く、光源より真正面で光を受ける点で電流値が最大となった。
[5回]
PR
