電子の物理現象と応用素子

電子の物理現象と応用素子は、真空中や半導体中における電子の振る舞いを扱い、その性質を利用した電子素子の動作原理を定める分野である。電子は負の電荷をもつ粒子であり、電界の中に置かれると電界から力を受けて加速される。電子の電荷の大きさを e、電位差を V とすると、電子が電位差 V の二点間を移動して得る運動エネルギーは、電荷と電位差の積で与えられる。このエネルギーを電子ボルト [eV] で表す場合、1 eV は電子が 1 V の電位差を通過して得るエネルギーに等しい。

電子が初速度 0 から電位差 V で加速された後の運動エネルギーは次の式で表される。

eV = (1/2) mv^2

ここで m は電子の質量、v は到達した速さである。この式から、電子の速さは電位差の平方根に比例することが分かる。電位差が 4 倍になっても速さは 2 倍にはならないことに注意が必要である。

熱電子放出と光電効果

金属を加熱すると、金属内部の自由電子の一部が金属表面から外部の真空中へ飛び出す。これを熱電子放出といい、真空管の陰極はこの原理を利用している。表面から電子を外部へ取り出すために必要な最小のエネルギーを仕事関数といい、仕事関数の大きさは金属の種類によって異なる。仕事関数が小さい材料ほど、同じ温度でより多くの電子が放出される。

光を金属に当てると電子が放出される現象を光電効果という。光電効果において電子が放出されるかどうかは、光の強さではなく、光の振動数が仕事関数に相当するエネルギーを超えるかどうかで決まる。光の振動数を f、プランク定数を h とすると、光の一つの粒子（光子）が持つエネルギーは hf である。光の強さを増やしても hf が仕事関数より小さければ電子は放出されない。光の強さは放出される電子の数に関係し、放出される電子の最大運動エネルギーは振動数によって決まるという関係を、光の強さとエネルギーの違いとして区別しなければならない。

半導体の性質と pn 接合

純粋な真性半導体では、価電子帯の電子が熱などによって伝導帯へ励起されると、電子と同数の正孔が生じる。正孔は電子が抜けた空席が、あたかも正の電荷をもつ粒子のように移動する現象であり、電気伝導に寄与するキャリアである。

真性半導体に不純物を加えると、キャリアの種類と数が大きく変わる。5 価の元素を加えたn形半導体では、余った自由電子が多数キャリアとなり、この不純物はドナーと呼ばれる。3 価の元素を加えたp形半導体では、電子が不足した正孔が多数キャリアとなり、この不純物はアクセプタと呼ばれる。多数キャリアは不純物の種類で決まるのであり、温度による熱励起で生じるキャリアは少数キャリアとして区別しなければならない。