次の文章は、図1及び図2に示す原理図を用いてホール素子の動作原理について述べたものである。
図1に示すように、p形半導体に直流電流 \(I\) \([\text{A}]\) を流し、半導体の表面に対して垂直に下から上向きに磁束密度 \(B\) \([\text{T}]\) の平等磁界を半導体に加えると、半導体内の正孔は進路を曲げられ、電極①には（ア）電荷、電極②には（イ）電荷が分布し、半導体の内部に電界が生じる。また、図2のn形半導体の場合は、電界の向きはp形半導体の場合と（ウ）である。この電界により、電極①-②間にホール電圧 \(V_{H}\) \([\text{V}]\) が発生し、それは直流電流 \(I\) \([\text{A}]\) にほぼ（エ）する。
上記の記述中の空白箇所（ア）～（エ）に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。
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この問題で変わったこと
・この問題では「ホール効果」を固められます。
・関連問題 5 問で続けて定着できます。
要点
正解は(4)。p形では正孔に働くローレンツ力の向きから電極①が正、②が負になり、n形では電界の向きが逆になります。またホール電圧は電流にほぼ比例するので、組合せは (4) です。担体の種類まで意識して図を読むのが大切です。
詳細解説
この問題では、p形とn形で担体の向きが変わるとホール電界の向きがどう変わるかを追うことがポイントです。
図1の電流方向と磁束密度 \(B\) の向きから、p形半導体中の正孔はローレンツ力により電極①側へ偏る。したがって、電極①には正電荷、電極②には負電荷が分布する。
n形半導体ではキャリアが電子であるため、p形半導体の場合とは逆向きの電界が生じる。したがって、(ウ) は「反対」である。
また、ホール電圧 \(V_H\) は直流電流 \(I\) にほぼ比例する。
以上より、(ア) = 正、(イ) = 負、(ウ) = 反対、(エ) = 比例 となるので、正しい組合せは (4) である。
ホール効果では、電流の向きだけでなく「電荷を運ぶ粒子が正か負か」で左右が入れ替わります。p形とn形を同じ図で考えるときは、その点を切り分けて見ることが大切です。電流の向きだけを見てしまうと、(ア) と (イ) の符号を逆に選びやすい問題です。キャリアの符号と電界の向きの対応を一度図で追うと、組合せ問題でも崩れにくくなります。
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