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をP型半導体という。

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2005/06/01
2010/03/04