物理学解体新書


正孔,ホール(Hole)

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正孔,ホールとは

正孔とは半導体の中にある電子の抜け穴だ。
抜け穴でありながら、粒子のように移動することができる。
ここでは、正孔の正体について解説しよう。
正孔はホールともいう。




電流の担い手:キャリア

電子の流れが電流の正体だ。
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が多い。
これが自由電子だ。



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、半導体のキャリアは自由電子以外にもう一つある。
それが正孔(ホール)だ。
自由電子はマイナスのキャリアだが、正孔(ホール)はプラスを帯びている。




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。
正孔(ホール)




正孔を大量に生むアクセプタ

もし、シリコンの結晶中に、ホウ素が入り込んだらどうなるだろう。
ホウ素は3個の価電子を持つ。



ホウ素は周囲のシリコンと結合すると価電子が一個足りないのだ。




足りない価電子は正孔として働く。
不純物としてホウ素を混入した半導体は正孔が多くなる。
ホウ素のように正孔を供給する不純物をアクセプタという。



アクセプタを含む半導体は正孔に富んでいる。
このような不純物半導体P型半導体という。

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2005/06/01
2010/03/04



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