電荷キャリア

固体物理学では、電荷キャリアは、自由に移動して電荷を運ぶ粒子または準粒子であり、特に導電体内で電荷を運ぶ粒子です。^[1]例としては、電子、イオン、正孔があります。^[2]導電性媒体では、電界がこれらの自由粒子に力を及ぼし、媒体を通る粒子の正味の動きを引き起こします。これが電流の構成要素です。^[3] 電子と陽子は基本的な電荷キャリアであり、それぞれが同じ大きさで符号が反対の1つの基本電荷( e ) を運びます。

導電性媒体では、粒子が電荷を運ぶ役割を果たします。多くの金属では、電荷キャリアは電子です。各原子の価電子の1つまたは2つは、金属の結晶構造内を自由に動き回ることができます。 ^{[4]自由電子は}伝導電子と呼ばれ、自由電子の雲はフェルミガスと呼ばれます。^{[5] [6]}多くの金属には電子バンドと正孔バンドがあります。一部の金属では、多数キャリアは正孔です。^[要出典]

塩水などの電解質では、電荷キャリアはイオン^[6]であり、電子を獲得または失って電荷を帯びた原子または分子です。電子を獲得して負に帯電した原子は陰イオンと呼​​ばれ、電子を失って正に帯電した原子は陽イオンと呼​​ばれます。^[7]解離液体の陽イオンと陰イオンは、溶融イオン性固体の電荷キャリアとしても機能します（溶融イオン性固体の電気分解の例として、ホール・エルー過程を参照）。プロトン伝導体は、キャリアとして正の水素イオンを使用する電解伝導体です。^[8]

プラズマは空気中の電弧、ネオンサイン、太陽や星の中に見られる電荷を帯びたガスであり、イオン化されたガスの電子と陽イオンが電荷キャリアとして機能します。 ^[9]

真空中では、自由電子が電荷キャリアとして働く。真空管（バルブとも呼ばれる）と呼ばれる電子部品では、加熱された金属陰極によって熱電子放出と呼ばれるプロセスによって可動電子雲が発生する。^{[10]電子をビーム状に引き寄せるほど強い電界が印加されると、これを}陰極線と呼び、 2000年代までテレビやコンピューターモニターで広く使用されていた陰極線管ディスプレイの基礎となっている。 ^[11]

トランジスタや集積回路などの電子部品の製造に使用される材料である半導体では、2 種類の電荷キャリアが考えられます。p 型半導体では、正電荷を持つ電子ホールと呼ばれる「有効粒子」が結晶格子内を移動し、電流を生成します。「ホール」は、実際には半導体の価電子帯の電子分布における電子の空孔であり、原子サイトから原子サイトへと移動する可動性があるため、電荷キャリアとして扱われます。n 型半導体では、伝導帯の電子が結晶内を移動し、電流を生成します。

イオン溶液やプラズマなどの一部の導体では、正と負の電荷キャリアが共存するため、このような場合、電流は反対方向に移動する 2 種類のキャリアで構成されます。金属などの他の導体では、1 つの極性の電荷キャリアのみが存在するため、それらの電流は単に一方向に移動する電荷キャリアで構成されます。

半導体には2種類の電荷キャリアが認められている。1つは負の電荷を運ぶ電子である。さらに、価電子帯の電子集団内の移動空孔（正孔）を、電子と同じ大きさの正電荷を運ぶ2番目のタイプの電荷キャリアとして扱うのが便利である。^[12]

電子が正孔と出会うと、それらは再結合し、これらの自由キャリアは事実上消滅します。^[13]放出されるエネルギーは、半導体を加熱する熱エネルギー（熱再結合、半導体の廃熱源の1つ）または光子として放出される（光再結合、 LEDや半導体レーザーで使用）場合があります。^[14]再結合とは、価電子帯から伝導帯に励起された電子が、価電子帯の空の状態、つまり正孔に戻ることを意味します。正孔は、電子がエネルギーギャップを通過するためにいくらかのエネルギーを得た後に励起されたときに、価電子帯に生成される空の状態です。

より豊富な電荷キャリアは多数キャリアと呼ばれ、半導体内の電流輸送を主に担っています。n型半導体では多数キャリアは電子ですが、p型半導体では正孔です。より少ない電荷キャリアは少数キャリアと呼ばれ、n型半導体では正孔ですが、p型半導体では電子です。^[15]

不純物を含まない真性半導体では、両方のタイプのキャリアの濃度は理想的には等しい。真性半導体にドナー不純物がドープされている場合、多数キャリアは電子である。半導体にアクセプタ不純物がドープされている場合、多数キャリアは正孔である。^[16]

少数キャリアはバイポーラトランジスタや太陽電池で重要な役割を果たしている。^[17]電界効果トランジスタ（FET）におけるその役割はもう少し複雑である。例えば、MOSFETにはp型領域とn型領域がある。トランジスタの動作にはソース領域とドレイン領域の多数キャリアが関与するが、これらのキャリアは少数キャリアである反対型のボディを通過する。しかし、通過するキャリアは転送領域で反対型キャリアをはるかに上回る（実際、反対型キャリアは反転層を形成する印加電界によって除去される）ため、慣例的にキャリアのソースとドレインの指定が採用され、FETは「多数キャリア」デバイスと呼ばれている。^[18]

自由キャリア濃度は、ドープされた半導体内の自由キャリアの濃度です。これは金属内のキャリア濃度に似ており、電流やドリフト速度を計算する目的で同じように使用できます。自由キャリアは、ドーピングによって伝導帯（価電子帯）に導入された電子（正孔）です。したがって、他のバンドに正孔（電子）を残して二重キャリアとして機能することはありません。言い換えれば、電荷キャリアは電荷を運びながら自由に移動できる粒子です。ドープされた半導体の自由キャリア濃度は、特徴的な温度依存性を示します。^[19]

超伝導体は電気抵抗がゼロであるため、電流を無限に流すことができます。このタイプの伝導は、クーパー対の形成によって可能になります。現在、超伝導体は、極低温冷却などを使用して、非常に低い温度でのみ実現できます。今のところ、室温での超伝導の実現は困難であり、現在も研究と実験が続けられている分野です。常温で機能する超伝導体を作成できれば、重要な技術的ブレークスルーとなり、電力網の配電におけるエネルギー効率を大幅に向上させる可能性があります。

例外的な状況下では、陽電子、ミューオン、反ミューオン、タウオン、反タウオンも電荷を帯びる可能性があります。これは理論的には可能ですが、これらの荷電粒子の寿命は非常に短いため、現在の技術水準ではこのような電流を維持するのは非常に困難です。このタイプの電流は人工的に生成できる可能性がありますが、非常に短い時間の間に自然界で発生する可能性もあります。

プラズマはイオン化されたガスで構成されています。電荷はプラズマ内で電磁場の形成を引き起こし、電流または多重電流の形成につながる可能性があります。この現象は核融合炉で使用されています。また、宇宙では、ジェット、星雲風、または荷電粒子を運ぶ宇宙フィラメントの形で自然に発生します。この宇宙現象はビルケランド電流と呼ばれています。一般的に、プラズマの電気伝導性はプラズマ物理学の主題です。

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