半導体物理学

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正孔(ホール)

電流の担い手：キャリア

電流の正体は電子の流れだ。
金属の中には、原子核の束縛を逃れ自由に動き回れる電子(自由電子)が多い。
だから金属は電流が流れやすい

電圧がかかると、自由電子は一斉にプラス側へ向かって動きだす。
この動きが電流なのだ。

電流の担い手をキャリアという。
自由電子は、金属中のキャリアなのである。

金属のキャリアは自由電子だけだが、半導体の場合、キャリアは自由電子以外にもある。
それが正孔(ホール)だ。
自由電子はマイナス(負電荷)のキャリアだが、正孔(ホール)はプラス(陽電荷)を帯びている。

電子の抜穴：正孔

シリコンやゲルマニウムは4つの価電子を持つ。


シリコンやゲルマニウムの結晶では、これら価電子はすべて共有結合に寄与している。
このため、結晶内に余った電子はない。




一方で、原子はその温度に応じた熱エネルギーで振動している。
温度の上昇に伴い振動が増加する。


振動が大きくなると、一部の価電子が共有結合から離脱し、自由電子となるのだ。

この自由電子はキャリアとしてふるまう。
電圧がかかると移動するのだ。
これが電流だ。

温度がさらに上昇すると、自由電子の数がさらに増える。
つまり、温度が高いほど電流が大きくなる。

「温度の上昇に伴い抵抗値が低下する」という半導体の特性は、これに起因する。

共有結合から電子が離脱すると、その部分には正孔が残る。
もともと電荷がない場所から負電荷を持った電子が抜けたので、残ったのは正電荷ということになる。
これが正孔の正体だ。

正孔は電子が抜け出た穴であるが、正孔も電荷に引かれて動くことができる。
下のアニメーションでは白丸が正孔だ。
共有結合から離脱した電子が、正孔と結合する。
これが繰り返されるので、正孔が左から右に向かって移動していくことになる。

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