回答:
ホールは、電子が存在する可能性があるが現在は存在しない空間です。巨視的な世界の穴と同じように、穴を動かすことはできません。それは不在です。できることは、穴を埋めることだけです。これにより、別の場所に新しい穴が作成されます。ある方法で、これを電子から反対方向に(したがって、電流と同じ方向に)流れる仮想粒子としてモデル化できますが、その方向に移動する実際の粒子はありません。ほとんどのモデルと同様に、数学を簡単にする便利なフィクションです。
これを考える良い方法は、傾斜路のスロープを下って大理石でいっぱいの溝がある傾斜した傾斜路を想像することです。一番下の大理石を取り除くと、後ろのスタックが下にずれ、スタックの一番上に穴が現れます。
電荷輸送メカニズムが電子である結晶では事実ですが、正孔は単なる概念的なプレースホルダーではありません。すべての方程式は、電子の場合と同様に正孔でも機能します。計算を行って、正孔の有効質量と正孔の移動度を決定できます(Siの場合、電子より約2.5倍遅い)。したがって、それらが実際の効果を持たないのと同じではないという事実を理解するべきではありません。
このような:
A BCDEFG
^ here is a hole between two letters
今、それが「動く」のを見てください:
AB CDEFG (Actually, B moved left)
ABC DEFG (C moved left)
ABCD EFG
ABCDE FG
ABCDEF G
穴は実際には移動しませんが、そのように見えます。電子が移動すると、1つの穴が閉じ、別の穴が近くに開きます。
文字が左に1スペース移動すると、穴も右に1スペース移動します。この状況は、文字が左に移動するか、穴が右に移動するかと見なすことができます。同等です。
電子工学では、電流は通常、より正の電圧のノードからより負の電圧のノードに向かう正の電荷の流れとして記述されることに注意してください。これを従来型電流といいます。しかし、実際の電流は実際には、負から正に向かう電子で構成されています。電流は数学的抽象にすぎないため、この逆転は関係ありません。デバイスの動作を表すすべての方程式は問題なく機能します。
原子の構造が知られるずっと前に、科学者は電荷に「正」と「負」のラベルを任意に割り当てました。そのため、導体を実際に移動する電荷が「負」とラベル付けされた電荷であることが後になってようやく明らかになりました。
半導体、ダイオード、トランジスタ
電子と穴
テーブルを横切って一列に並んで、触れて、並んでいるペニーのことを考えてみましょう。右端のペニーを1ペニーの幅で右に移動し、ギャップを残します。次に、ペニーをギャップの左側のスペースに移動し続けます。進むにつれて、すべてのペニーが右に移動し、ギャップがテーブルを横切って左に移動しました。ここで、ペニーを電子として描き、電子が半導体を横切って一方向に移動すると、正孔が反対方向に移動する様子を確認できます。
類推を伸ばすために、ペニーの小さな山を使用することができるので、穴が左に移動する前に多くが右に移動する必要があります。または、数ペニーと多くのスペースを確保して、疎なペニーが広いギャップを横切って移動するときに穴が移動しやすくすることもできます。これらの2つのケースは、ドープされたシリコンの2つの形式、多くの電子が追加されたモデルであり、N型、多数のホール(電子が削除された)、およびP型があります。これらのタイプは、シリコンを少量の他の金属と混合(ドーピング)することによって実現されます。
電子が半導体の原子間を行き来する必要があるため、その抵抗率は比較的高くなります。初期の半導体はゲルマニウムを使用しましたが、特別な場合を除いて、今日ではシリコンが普遍的な選択肢です。
銅線は、ペニー電子の大きな山が互いに接近しているように視覚化できます。したがって、電流は山の上部にある数ペニーの動きであり、穴はまったく生成されません。電流に利用できる数が非常に多いため、抵抗率は低くなっています。
ダイオード
最も一般的な半導体ダイオード(他の特殊なタイプがあります)は、N型とP型の間に接合があります。ダイオードに電圧が印加され、Nタイプの端が正、もう一方が負の場合、電子はすべて正の端に引き寄せられ、負の端にホールが残ります。真ん中に電子がほとんどないので、電流はほとんど流れません。ダイオードは「逆バイアス」されています
電圧を逆に印加すると、N型の端が負、P型が正になります。電子は中央に引き寄せられ、クロスオーバーしてP型のホールを打ち消し、接続ワイヤー。一方、負の電圧の端では、電子はダイオードの中央に反発され、ワイヤーから流入する電子に置き換えられるため、全体的に電流が流れやすくなります。ダイオードは順方向にバイアスされます。
ダイオードへの接続は、「アノード」と呼ばれます。これは、ダイオードが順方向にバイアスされているときに正の端であり、「カソード」は負の端です。これらは、電流を流すために陽極で高い正電圧(「高張力」の場合はHT-指を離しておく)を必要とするバルブと同じ用語で類推して覚えています。順方向にバイアスされたダイオードの極性の良いニーモニックは、PPNNである可能性があります:「正、Pタイプ、Nタイプ、負」。
バラクタダイオードは、2つの分離した正と負の充電領域が粗いコンデンサを作るという事実を利用しています。そのため、逆バイアスがかかると、特別に設計されたダイオードがこれを利用するようになります。印加された電圧は電荷を引き離し、接点間に「空乏層」を形成します。印加される逆電圧を大きくすると、この層が厚くなり、容量が減少します。逆も同様です。バラクターダイオードは、チューニングされた回路で周波数を変化させるために一般的に使用され、バルブの時代に使用されていた羽根付きコンデンサーに取って代わります。
バイポーラトランジスタ
バイポーラトランジスタは、動作が電子と正孔の両方に依存するトランジスタです。これは、共通の中央層を共有する2つのダイオードが連続して構成されています。外部端子の1つはコレクターCで、もう1つはエミッターEです。中央の接続はベースBであり、CBダイオードとBEダイオードの両方の一部です。これで3層のサンドイッチになります。通常の使用では、CとBの間のダイオードに逆バイアスがかけられているため、BEダイオードとその効果が存在しないと、電流は流れません。すべての電子がCBセクションの一端に引き上げられ、ホールがもう一方の端は、ダイオードのように、印加された電圧によって。
BEダイオードには順方向バイアスがかかっているため、電流が流れる可能性があり、外部回路はこれをかなり小さい値に制限するように設定されていますが、ベースとエミッタを流れる正孔と電子はまだたくさんあります。
今、賢いビットです。ベースでのCBダイオードとBEダイオードの共通接続が非常に薄くなっているため、逆コレクタ電圧が引き離した電子と正孔の洪水の代わりにBEパーツがあり、このCBダイオードに電流が流れる逆方向に、そして順方向にバイアスされたBEジャンクションを介してエミッタに達し、外部回路に出ます。
2つのダイオードを背中合わせにはんだ付けしてトランジスタを作成できないことは明らかだと思います。そのためには、シリコン内部の薄い層を密接に共有する必要があります。
コレクタ電流はベース電流が流れるかどうかに依存し、トランジスタはBEダイオードの小電流がCBジャンクションの大電流に道を開くように設計されています。したがって、電流増幅があります。外部抵抗の両端の電圧降下を使用して、これを電圧増幅に変換できます。
これらのトランジスタは、実質的に2つの接合部があるため、「バイポーラ」と呼ばれます。
CBダイオードとBEダイオードの材料の種類について言及することは慎重に避けています。考えはどちらも同じであり、可能な層としてNPNまたはPNPを使用できます。従来のコレクタ電流の方向(電子の流れの反対)を示すシンボルの矢印は、印加されたCE電圧の負側の方向を指しているため、電流は「PからNへエミッタ」。
電界効果トランジスタ、またはFET
FETにはさまざまな設計が数多くあり、これはそれらの基本原理を非常に単純化したものです。
これらは「ユニポーラ」トランジスタですが、動作は正孔ではなく電子と電界にのみ依存するため、この用語はあまり使用されません。
ここでは、ドープされたシリコンの単一のブロックである「チャネル」があり、両側に反対のタイプの塊があり、または包囲リングとして存在します。したがって、塊またはリングとチャネルの間に、ゲートGと呼ばれるダイオード接合が1つだけあります。チャネルは抵抗として機能し、電流は一端(ソースS)から他端(ドレインD)に流れます。ゲートとチャネル間の接合部には逆バイアスがかかっているため、電流は流れませんが、電界が設定されています。電荷、電子、または正孔をチャネルの側面に引き寄せ、SD電流を利用できないようにします。したがって、SD電流はゲートの電圧によって制御されます。
これは電圧制御デバイスであり、実質的にゲートに出入りする電流は流れません。オームの法則を考えてみてください:抵抗=ボルト/アンペア、そして非常に低い電流は非常に高い抵抗を意味することがわかります。そのため、FETは非常に高い入力インピーダンスを持っていると言われています。対照的に、ベースに電流を流すのにほとんど電圧がかからないため、入力インピーダンスが低くなります。