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半導体における正孔は,負の質量を持つ電子を,正の質量を持つ陽電子と捉え直したものであることを知りました。励起前,上に凸の価電子バンドに電子が存在しているから,バンド頂点付近の電子は質量が負になっていることも理解しました。有限温度でいくつかの電子が,伝導バンドに励起され,価電子バンド中の抜けた穴が正孔になるということでしょう。

質問が2つあります。

励起前の電子は負の質量でしたが,励起後の電子は伝導バンドの下に凸部分に遷移すると考えると,正の質量をもつ電子と考えて良いですか。

元々,負の質量があった電子部分が穴になりますが,そこを何も無くなったと考える代わりに,負の質量の電子に,正の質量の陽電子を重ねることで打ち消しているということでしょうか。電子が抜けた穴に陽電子が補填されているように説明がされているように感じてしまうのですが,電子が背景となっている中に陽電子が追加されたようなイメージで良いのでしょうか。(素粒子における電子陽電子生成のように考えても,この考えで辻褄が合うと思うのですが)

ご回答宜しくお願いします。

A 回答 (4件)

電子は固有の(正の)質量を有してます。

負の質量を持つなら別の粒子に区分されねばなりません。もっとも、負の質量を持つ物質(粒子)は知られてませんので、何物にせよ"負の質量"を持ち出す考え方は間違っていると思うべきでしょう。
また、正孔と(半導体や金属中の)自由電子の関係を、陽電子と電子の関係に例える説明も正しくありません。陽電子はれっきとした素粒子です。電子の抜けた穴と言った曖昧なものではありません。
正孔の解釈は微妙な問題だと思います。正孔について私が本サイトで行った以下の回答が参考になれば幸いです。

https://oshiete.goo.ne.jp/qa/7227273.html
https://oshiete.goo.ne.jp/qa/5911510.html
https://oshiete.goo.ne.jp/qa/258550.html
https://oshiete.goo.ne.jp/qa/2363244.html
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この回答へのお礼

ありがとうございます^_^

お礼日時:2021/08/10 19:12

なんだか、正しいことと、間違っていることが、ごちゃまぜになっていますね。



電子は正の質量を持つ素粒子です。正孔は、その電子の抜け穴を、仮想的に正電荷を持つ粒子とみなしたもので、陽電子とは全く違います。

陽電子は、電子の反粒子で、あわさると対消滅してエネルギーになります。
高エネルギーから、対生成されることもあります。

一方で、電子と正孔は、半導体の中の特殊なバンドにおける状態から得られるもので、正孔という素粒子が存在するわけでもなければ、対消滅も対生成もしません。あくまで、半導体のなかの構造が生み出す特殊なエネルギー状態における、電子の動きによる見かけの正電荷粒子です。

よくビールの泡に例えられますね。泡は空気なわけですが、実際に形があるわけではない。泡が、ビールの瓶のなかを、重力に反して登るのは、水が重力で下におちて、水で満たされていない、空気がある部屋のようなものが、逆に重力に反して移動する。正孔とは、このビールの泡のようなものです。
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私の小学校の頃から、今もそうですが、電流はプラス極からマイナス極へ


流れる。ここら辺が誤解の源ではないでしょうか。
電子はマイナス極からプラス極へ流れていますが、プラス極からマイナス極へは何も流れてはいません。
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「半導体における正孔は(中略)陽電子と捉え直したものである事」と言う解釈は100%間違っています。

恐らくは「負エネルギー電子の海の中の電子が正エネルギーを持って通常の電子になり空いた穴が陽電子になる」と言うのとごっちゃにされたのだと思いますが、半導体における正孔はそもそも陽電子ではありません。
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