正孔

正孔（ホール）の基礎知識

半導体物理学において、正孔（ホール）は重要な概念です。これは、価[[電子]]帯において電子が不足している状態を指し、あたかも正の電荷を持つ粒子のように振る舞います。

正孔の生成

正孔は、光や熱エネルギーによって価[[電子]]が価[[電子]]帯から伝導帯へ励起された際に生じます。価[[電子]]帯に残された電子の不足が、正孔として観測されます。この現象は、真性半導体だけでなく、絶縁体においても、確率は低いものの発生します。

正孔の移動

半導体結晶内では、正孔は移動します。隣接する価[[電子]]が正孔の位置に移動することで、正孔はあたかも移動しているかのように見えます。この過程が繰り返されることで、正孔は結晶内を移動し、電気伝導に寄与します。

キャリアの再結合

伝導帯に励起された電子が、再び価[[電子]]帯の正孔と結合する現象を、キャリアの再結合と呼びます。この際、電子と正孔のエネルギー準位の差に相当するエネルギーが、熱や光として放出されます。再結合によって、正孔は消滅します。

p型半導体

正孔は、電子と同様に電荷担体として機能します。正孔が多数キャリアとなる半導体をp型半導体と呼びます。p型半導体は、アクセプタと呼ばれる不純物を添加することで作られます。アクセプタは、価[[電子]]帯に準位を作り、価[[電子]]を捕捉することで正孔を発生させます。

正孔の移動度

正孔の移動度は、電子に比べて一般的に低くなります。例えば、シリコン結晶では、電子の移動度の約1/3程度です。これは、正孔の有効質量が電子よりも大きいためです。ここで重要なのは、移動度によって決まるドリフト速度は、個々の正孔の速度ではなく、平均速度であるということです。

重い正孔と軽い正孔

価[[電子]]帯の頂上では、複数のバンドが縮退している場合があり、これに対応して正孔にも、有効質量の異なる重い正孔と軽い正孔が存在します。シリコンなどでは、スピン軌道相互作用によるスピン分裂バンドも考慮する必要があり、正孔の挙動を複雑にしています。

正孔の応用

正孔の性質を利用した半導体デバイスは数多く存在します。特に、移動度を重視するデバイスでは、結晶に歪みを加えることで価[[電子]]帯の縮退を解消し、軽い正孔を効果的に利用することで、デバイス性能の向上を目指しています。

まとめ

正孔は、半導体における重要な電荷担体です。その生成、移動、再結合、そしてp型半導体との関係性を理解することは、半導体デバイスの動作原理を理解する上で不可欠です。 正孔の性質、特に重い正孔と軽い正孔の違い、そしてそれらがデバイス特性に及ぼす影響を理解することで、より高度な半導体技術の開発に繋がるでしょう。 また、正孔は「ホール効果」のホールとは異なる意味で用いられている点にも注意が必要です。

参考文献

* 西澤潤一・御子柴宣夫「半導体の物理 改訂版」（培風館、1991年）

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