אוספים

מה זה מוליך למחצה

מה זה מוליך למחצה

מוליכים למחצה וטכנולוגיית מוליכים למחצה מהווים בסיס לרוב תעשיית האלקטרוניקה בימינו. טרנזיסטורים, דיודות, מעגלים משולבים והתקנים רבים נוספים מכילים משותף טכנולוגיית מוליכים למחצה. כתוצאה ממידת הגמישות העצומה שמספקת טכנולוגיית מוליכים למחצה, היא איפשרה לאלקטרוניקה להשתלט על תחומים רבים בחיי היומיום, שלפני חמישים שנה לא ניתן היה להגות.

מנצחים ולא מנצחים

זרם חשמלי מתרחש כאשר יש זרימה של אלקטרונים בכיוון מסוים. מכיוון שלאלקטרונים יש מטען שלילי, התנועה שלהם פירושה שהמטען זורם מנקודה אחת לשנייה וזה מהו זרם חשמלי.

כדי לאפשר לזרם לזרום על האלקטרונים להיות מסוגלים לנוע בחופשיות בתוך החומר. בחלק מהחומרים האלקטרונים נעים בחופשיות סביב הסריג, אם כי מספר האלקטרונים והמרחבים הזמינים עבורם מתאזן כך שהחומר עצמו אינו נושא מטען. בחומרים אלה האלקטרונים נעים באופן חופשי אך באופן אקראי. על ידי הצבת הפרש פוטנציאלי על פני המוליך ניתן לגרום לאלקטרונים להיסחף לכיוון אחד וזה מהווה זרם חשמלי. חומרים רבים מסוגלים להוביל חשמל, אך מתכות מהוות את הדוגמאות הנפוצות ביותר.

שלא כמו מתכות, ישנם חומרים רבים אחרים שבהם כל האלקטרונים קשורים היטב למולקולות האב שלהם והם אינם חופשיים לנוע. בהתאם לכך כאשר פוטנציאל ממוקם על פני החומר מעט מאוד אלקטרונים יוכלו לנוע ויזרם מעט מאוד או לא זרם. חומרים אלה נקראים שאינם מוליכים או מבודדים. הם כוללים את רוב הפלסטיק, הקרמיקה וחומרים רבים המופיעים באופן טבעי כמו עץ.

מוליכים למחצה

מוליכים למחצה אינם נופלים בקטגוריות המוליך או לא המוליך. במקום זאת הם נופלים בין לבין. מגוון חומרים נכללים בקטגוריה זו, והם כוללים סיליקון, גרמניום, גליום ארסניד ומגוון חומרים אחרים.

במצבו הטהור הסיליקון הוא מבודד ללא אלקטרונים חופשיים בסריג הקריסטל. אולם כדי להבין כיצד הוא פועל כמוליך למחצה, הסתכל תחילה על המבנה האטומי של הסיליקון במצבו הטהור. כל מולקולה בסריג הקריסטל מורכבת מגרעין בעל שלוש טבעות או מסלולים המכילים אלקטרונים, ולכל אלקטרון יש מטען שלילי. הגרעין מורכב מנויטרונים שהם ניטרליים ואין להם מטען, ומפרוטונים שיש להם מטען חיובי. באטום יש מספר זהה של פרוטונים ואלקטרונים ולכן לאטום כולו אין מטען כולל.

האלקטרונים בסיליקון, כמו בכל אלמנט אחר מסודרים בטבעות עם מספר אלקטרונים קפדני בכל מסלול. הטבעת הראשונה יכולה להכיל רק שתיים, והשנייה כוללת שמונה. הטבעת השלישית והחיצונית של הסיליקון כוללת ארבע. האלקטרונים בקליפה החיצונית משותפים לאלה של אטומים סמוכים כדי להרכיב סריג קריסטל. כאשר זה קורה אין אלקטרונים חופשיים בסריג, מה שהופך את הסיליקון לבידוד טוב. תמונה דומה ניתן לראות עבור גרמניום. יש לו שני אלקטרונים במסלול הפנימי ביותר, שמונה במסלול הבא, 18 בשלישי וארבעה בחיצוני. שוב היא חולקת את האלקטרונים שלה עם אלה מאטומים סמוכים כדי ליצור סריג קריסטל ללא כל אלקטרונים חופשיים.

זיהומים

על מנת להפוך סיליקון או כל מוליך למחצה אחר לחומר מוליך חלקית יש צורך להוסיף כמות קטנה מאוד של טומאה לחומר. זה משנה במידה ניכרת את המאפיינים.

אם מוסיפים עקבות של זיהומים של חומרים שיש להם חמישה אלקטרונים בטבעת החיצונית של האטומים שלהם הם נכנסים לסריג הקריסטל המשתף עם הסיליקון. אולם מכיוון שיש להם אלקטרון נוסף אחד בטבעת החיצונית, אלקטרון אחד הופך חופשי לנוע סביב הסריג. זה מאפשר זרם לזרום אם פוטנציאל מוחל על פני החומר. מכיוון שלסוג זה של חומר יש עודף אלקטרונים בסריג הוא מכונה מוליך למחצה מסוג N. זיהומים אופייניים המשמשים לעתים קרובות ליצירת מוליכים למחצה מסוג N הם זרחן וארסן.

אפשר גם למקם אלמנטים עם שלושה אלקטרונים בלבד במעטפתם החיצונית בסריג הקריסטל. כשזה קורה הסיליקון רוצה לחלוק את ארבעת האלקטרונים שלו עם אטום אחר עם ארבעה אטומים. אולם מכיוון שלטומאה יש רק שלושה, יש מקום או חור לאלקטרון אחר. מכיוון שלסוג חומר זה חסרים אלקטרונים הוא מכונה חומר מסוג P. זיהומים אופייניים המשמשים לחומר מסוג P הם בורון ואלומיניום.

חורים

קל לראות כיצד אלקטרונים יכולים לנוע סביב הסריג ולשאת זרם. עם זאת זה לא כל כך ברור עבור חורים. זה קורה כאשר אלקטרון ממסלול שלם נע למלא חור, ומשאיר חור ממנו הוא בא. אלקטרון אחר ממסלול אחר יכול לעבור פנימה למלא את החור החדש וכן הלאה. תנועת החורים לכיוון אחד תואמת לתנועה של אלקטרונים בכיוון השני, ומכאן זרם חשמלי.

מכאן ניתן לראות כי אלקטרונים או חורים יכולים לשאת מטען או זרם חשמלי. כתוצאה מכך הם ידועים כמובילי מטען, חורים הם נושאי המטען של מוליכים למחצה מסוג P ואלקטרונים למוליכים למחצה מסוג N.

סיכום

העיקרון שמאחורי מוליכים למחצה יכול להיראות די פשוט. עם זאת לקח שנים רבות עד שניתן היה לנצל רבות מנכסיו, ורבים אחרים לפני שניתן היה לעדכן אותם. כיום, רבים מהתהליכים המשמשים כמוליכים למחצה עברו אופטימיזציה גבוהה והרכיבים כמו מעגלים משולבים הם מאוד מתוחכמים. עם זאת הם מסתמכים על העובדה שניתן לסמוט אזורים שונים של מוליכים למחצה ליצירת מוליכים למחצה מסוג P ו- N.

רשימת מונחי מוליכים למחצה נפוצים

  • נושאת מטען - נושאת מטען היא חלקיק חינם (נייד, לא מאוגד) הנושא מטען חשמלי, למשל. אלקטרון או חור.
  • מנצח - חומר בו אלקטרונים יכולים לנוע בחופשיות וחשמל יכול לזרום.
  • אֶלֶקטרוֹן - חלקיק תת אטומי הנושא מטען שלילי.
  • חור - היעדרו של אלקטרון ערכיות בגביש מוליך למחצה. תנועת חור שווה ערך לתנועה של מטען חיובי, כלומר מנוגד לתנועה של אלקטרון.
  • מְבַדֵד - חומר בו אין אלקטרונים בחינם הזמינים להובלת חשמל.
  • נושא הרוב - נשאים נוכחיים, או אלקטרונים חופשיים או חורים שהם עודפים כלומר ברובם באזור ספציפי של חומר מוליך למחצה. אלקטרונים הם המובילים ברובם במוליכים למחצה מסוג N, וחורים באזור מסוג P.
  • נושא מיעוטים - נושאות זרם, אלקטרונים חופשיים או חורים הנמצאים במיעוט באזור ספציפי של חומר מוליך למחצה
  • סוג N - אזור של מוליכים למחצה שיש בו עודף אלקטרונים.
  • סוג P - אזור של מוליך למחצה שיש בו עודף חורים.
  • מוֹלִיך לְמֶחֱצָה - חומר, שאינו מבודד ואינו מוליך מלא בעל רמת מוליכות חשמלית ביננו ובה הולכה מתרחשת באמצעות חורים ואלקטרונים.


צפו בסרטון: פיזיקה של מוליכים למחצה - תשעו - הרצאה 3 (דֵצֶמבֶּר 2021).