電荷担体

電荷担体とは

電荷担体、すなわち「charge carrier」とは、物理学において電荷を運ぶ自由な粒子のことを指します。特に、電気伝導体における電流の流れに寄与する粒子がこれに該当します。具体的には、電子やイオンが代表的な電荷担体として挙げられます。

金属における電荷担体

金属では、伝導電子が電荷担体の役割を果たします。金属内では、各原子の外側に存在する1個または2個の価電子が結晶構造の中を自由に移動することが可能です。この自由に動く電子の雲は「フェルミ気体」と称され、電流の形成に寄与しています。

電解液とイオン性固体

塩水のような電解液においては、陽イオンおよび陰イオンがそれぞれ電荷担体として機能します。同様に、イオン性固体が融解した液体においても、陽イオンと陰イオンが電荷担体として重要な役割を担います。

プラズマ環境での電荷担体

電弧などのプラズマ状態では、電子やイオン化したガスの陽イオン、さらには電極の蒸発した素材が電荷担体として作用します。真空中でも電極の気化は起こりますが、電弧そのものは真空中では存在できません。この場合、気化した電極が低圧のガスとなり、電荷担体として電弧の形成に寄与します。

半導体における電荷担体

半導体では、電子と正孔（ホール）が電荷担体として機能しています。正孔とは、価電子帯における空席を粒子のように考え、正の電荷を運ぶとされます。不純物半導体では、ドーパントを導入することで電子や正孔の濃度を増やすことができます。このようにドーピングによって増加した電荷担体は「多数キャリア」と呼ばれ、それに対して相対的に減少した電荷担体は「少数キャリア」として扱われます。具体的には、n型半導体の電子は多数キャリアであり、p型半導体の正孔も同様です。一方、n型半導体内の正孔やp型半導体内の電子は少数キャリアに該当します。

自由担体濃度

自由担体濃度とは、ドーパントを加えた半導体における自由担体の濃度を指します。これは金属における担体濃度に似ており、電流や流動速度を計算する際に同様の概念で扱えるのが特徴です。自由キャリアは電子または正孔を意味し、ドーピングによって直接伝導帯に導入されます。なお、熱を加えても自由担体濃度が増加することはありません。電荷担体が移動した場合でも、その移動後に残存するのは電子や正孔です。

関連項目

• - 色荷
• - 拡散
• - ほとんど自由な電子

このように、電荷担体は物理学の多くの場面で重要な要素となり、電流の流れや材料の性質を理解する上で欠かせない存在です。

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