正孔の観測

理論的には、電子と正孔を使わないと、いろんな現象が説明つかないです。

電子は観測されています。
正孔も、直接、観測されているのでしょうか？

ホール効果は、1879年にアメリカの物理学者E・H・ホールが発見した電流磁気効果の一種。
ややこしい。
なんで、ホールちゅう名前やねん。

質問者からの補足コメント

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  ホール効果
  
  

    補足日時：2022/08/09 22:36

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  ・電子は、レプトンに所属する立派な素粒子です。
  
  ・それに対して、正孔は、単に電子の抜け穴という素粒子に昇格できないマイナーリーグの選手のような存在でしょうか？
  
  正孔にはプラスの電荷がありますが、スピン等の性質もあるはずですね？
  正孔同士には、パウリの排他律とか、適用させるのでしょうね？

    補足日時：2022/08/09 22:58

No.1 ベストアンサー 回答者： d9win 回答日時： 2022/08/10 05:29

正孔は、真空中で電子を観測するように、それ自体を観測することはできません。

正孔は結晶中のみ存在し得るからです。したがって、どちらも素粒子とは言えません。ちなみに、自由電子も同じく結晶や金属の中でのみ存在し得ます。(自由電子が電子と異なるのは、その有効質量が電子の質量m_0よりも大幅に小さくなることが普通であることからも分かります)
結晶中の正孔を最も簡単に観測するのはドリフト移動度の測定でしょう。p形半導体の抵抗を測れば、その中の正孔の特性を測っていることになります。それが実感し易い測定方法としてTime Of Flight法があります。この方法は、先ず測定資料の表面と裏面の間に電圧をかけて、そのごく表面に電子線をパルス的に照射して正孔と自由電子を対発生させた時の、表面-裏面間に流れる電流波形を観測します。表面側の電位を低く設定しておれば自由電子だけが結晶中を移動して、高く設定すれば正孔だけが移動するので、それぞれの移動度を同じ資料で連続的に観測できます。(ちなみに、正孔や自由電子は、p形やn形の添加不純物が無い純粋な半導体中にも(大量に)存在し得て、その中を移動し得ます)

半導体物理では、自由電子と正孔、そしてn形半導体とp形半導体を対等に扱います。半導体の伝導帯に存在し得る自由電子の状態数の計算にフェルミ統計を用いていることからも分かるように、自由電子は、スピンを有し、パウリの排他律も働いてます。そして、正孔もスピンを有して、パウリの排他律も働いていると見なされてます。しかしながら、正孔が価電子(結晶の結合を構成する電子)の抜け孔であるなら、具体的にどのような形でスピンを有しているのか不思議です。私は説明できないと思います。
また、価電子の抜け穴に隣りの価電子が移ることで正孔が移動するという伝統的な説明では、p形半導体とn形半導体をホール効果の観測から区別できないはずです。なぜなら、どちらも電子が移動しているだけだからです。p形半導体のホール電圧がn形半導体と逆極性になる説明は、p形半導体では正の電荷が実際に移動しているとしなければ説明できません。実際に、p形半導体を対象としたホール効果の説明を行っている教科書(定評のある文献)を見たことがありません。(ついでに言うと、ローレンツ力に因って電荷が偏ることでホール電圧が生じるという説明は胡散臭いです。移動可能な電荷担体が存在する資料の対向する面に電荷が偏る現象が起こり得るものでしょうか?)
正孔のスピンとp形半導体のホール効果の説明は、現在の半導体理論の欠陥を如実に示していると思います。

この回答へのお礼

詳しいご説明有難う御座います。

＞正孔のスピンとp形半導体のホール効果の説明は、現在の半導体理論の欠陥を如実に示していると思います。

そんな気もします。
素粒子物理学では、電子、陽電子対の生成の計算はありますが、電子-正孔対の計算はないです。
場の量子論には、正孔という言葉も出てこないです。

自由電子と正孔は、まだまだ謎が多いですね。

https://astro-dic.jp/electron-hole-pair/

お礼日時：2022/08/10 15:16