フォトダイオードの開放電圧

質問

フォトダイオードに光を照射したとき、外部に流れる電流をI、暗電流（拡散電流）をId、光電流をIpとすると、

　I=Id-Ip
　Id=Is*exp{(eV/kT)-1}　、　Is：飽和暗電流

となり、開放電圧VocはI=0と置いて、上式からV=Vocとして、

　Voc=(kT/e)ln(1+Ip/Is)

が出ます。ここで、光を照射しない（Ip=0）のとき、Voc=0になります。
しかし、フォトダイオードのpn接合には内蔵電位や逆バイアスが印加されており、Voc=0にならない気がします。

おそらく上記の私の説明のどこかに欠陥があるのではないかと思いますが、何がおかしいのでしょうか？

回答No.2

imoriimori · ベストアンサー

#1です
　Id=Is*exp{(eV/kT)-1}　はフォトダイオードだけでなく、通常のダイオードでも使われる式なので、通常のダイオードとして話を始めると、
Vは内蔵電位は含みません。外から加えた電圧です。逆バイアスかもしれないし順バイアスかもしれないですが。

次にフォトダイオードになると、
Vはやはり外から加えた電圧です。しかし、自らの光起電力で発生して負荷に与える電圧も含まれます。要するに平衡状態からのズレの電圧です。外から端子間を見て観測される電圧と思えばよろしいです。

お礼

「Vは平衡状態からのズレ」
忘れずに覚えておきます。ありがとうございました。

回答No.1

imoriimori

「逆バイアスが印加されており」というのがなんのことかわかりませんが。外から電圧をかけてはいないので。
それを置いておくと、つまりはPN接合の内蔵電位（拡散電位）を外から見ることができるのではないか、光がゼロなら０．６Ｖくらいとか。
という疑問に帰着するのではないでしょうか。
ということでしたら、内蔵電位は外から見えないのです。平衡状態で発生している電位差ですから、それを外から見ることができるということは、ランダムな熱運動からエネルギーを取り出せると言うことで、熱力学的にはおかしなことになる、このことは直感的にわかりますよね。
で、どこにパラドクスがあるかというと、電位差が発生しているのはＰＮ接合部だけではなく、電極金属と半導体との間でも発生しています。ショットキー電位とか言いましたっけ。それでトータルゼロとなるので（だから平衡状態なんですが）、外から電圧計を当てても針はぴくりとも触れない。光を当てて平衡状態からはずしてやると、光起電力のぶんが外から見える。
こんなことでどうでしょうか？

補足

ご回答ありがとうございます。
私が無知なだけでした。熱平衡状態で、metal-semiconductor間の電位差と内蔵電位が釣り合っているわけですね。

あと、「逆バイアスが印加されており」ですが、

　Id=Is*exp{(eV/kT)-1}

のVは、pn接合にかかる電圧で、内蔵電位＋逆バイアス電圧のことでしょうか？このVの正体がつかめません。