אילוח (מוליכים למחצה)

אילוח (נקרא גם זיהום, סימום או הסממה; באנגלית: Doping) של מוליך למחצה הוא הוספה של חומר זר בריכוז מזערי למצע כלשהו, לשם הגברת המוליכות החשמלית שלו.

מוליך למחצה נקי מאוד נקרא עצמותי (אינטרינזי) , ולעומתו מוליך למחצה שתכונותיו החשמליות נובעות מהאילוח נקרא לא־עצמותי (אקסטרינזי) . מוליך למחצה מאולח ברמות גבוהות עד כדי כך, שהתנהגותו דומה יותר למוליך מאשר למוליך למחצה, נקרא מנוון. מוליך למחצה המאולח בשני סוגי האילוח, n ו־p, במידה שווה נקרא מקוזז ויש לו תכונות דומות למוליך למחצה עצמותי, אם כי מקדם המוליכות שלו נמוך יותר.

אילוח אשר מוסיף אלקטרונים חופשיים יוצר מוליך למחצה מסוג n, מהמילה negative (שלילי) באנגלית, כיוון שנוספים מטענים שליליים הנמצאים ברמות אנרגיה גבוהות בחומר, ועל כן הם חופשיים להוליך זרם חשמלי. לעומתו, אילוח מסוג p, מהמילה positive (חיובי) באנגלית, יוצר מצבים ריקים במבנה הסריג המולקולרי, מצבים המכונים "חורים", אליהם נכנסים אלקטרונים מאטומים סמוכים, ובכך מייננים את האטומים.

אילוח קפדני ומבוקר של מוליך למחצה הוא היסוד לתעשיית השבבים והמחשבים, שכן לחומרים נקיים או מאולחים מאוד אין התכונות הנדרשות ליצירתם.

היסטוריה

אילוח מוליכים למחצה פותח במקור על ידי ג'ון רוברט וודיארד (John Robert Woodyard) אשר עבד בחברת "ספרי ג'יירוסקופ" במהלך מלחמת העולם השנייה. הביקוש לעבודותיו בתחום המכ"ם מנע ממנו את האפשרות להמשיך במחקר בתחום אילוח המוליכים למחצה, אולם לאחר שהמלחמה הסתיימה, הפטנט שלו הניח את היסוד לפיתוח מסיבי של החברה שלו. מאוחר יותר, הוצגו עבודות קשורות במעבדות חברת בל.

עקרון הפעולה

ערך מורחב – מוליך למחצה

מוליך למחצה הוא חומר בעל רמת ביניים של מוליכות, בטווח שבין מבודד למוליך. כאשר הטמפרטורה שלו עולה, מוליכותו עולה באופן מעריכי.

שבבי צורן נקי הם בעלי מוליכות נמוכה מאוד, עקב הקשרים הקוולנטיים בין האטומים. קיים הפרש גדול בין האנרגיה של האלקטרונים, אשר נמצאים בתחום אנרגיה הנקרא פס הערכיות, לאנרגיה של הרמות הפנויות בתחום פס ההולכה. עקב עקרון האיסור של פאולי, אלקטרונים לא יכולים לנוע אם כל המצבים מלאים, שהוא בקירוב המצב במוליך למחצה אינטרינזי, כמו צורן נקי.

הוספה של חומר זר עם אלקטרונים חופשיים מוסיפה רמות אנרגיה אלקטרוניות הסמוכות לפס ההולכה, כך שאלקטרונים עוברים בקלות ביניהן, בעקבות תוספת אנרגיה קטנה מחום או משדה חשמלי, וחופשיים להוליך זרם חשמלי.

סוגי אילוח

ערך מורחב – מוליך למחצה מאולח

• אילוח n‏ (n doping) – הוספת אטום בעל אלקטרון ערכיות אחד יותר מאשר בצורן (כמו זרחן). האלקטרון הנוסף מהווה נושא מטען חופשי, ובכך מגביר את המוליכות.
• אילוח p‏ (p doping) – הוספת אטום בעל פחות אלקטרון ערכיות אחד פחות מאשר בצורן (כמו בור או אבץ); החסר באלקטרון מאפשר לאלקטרונים מקום רב יותר לנוע, ובכך משפר את המוליכות. המקום החסר של האלקטרון נקרא גם חור.

תהליך האילוח

בתהליך הגידול של מצע החומר הטהור (בדרך כלל היסוד צורן, הקרוי בלעז סיליקון), מוכנסים לחומר אטומי יסוד זר, אשר יוצר בכל פרוסת סיליקון אילוח ראשוני כמעט אחיד. כדי להגדיר אלמנטים רצויים במעגל, אזורים נבחרים מאולחים עוד יותר, על ידי פעפוע או השתלה של יונים. השיטה השנייה נפוצה יותר בייצור המוני, בשל יכולת השליטה הטובה על התהליך.

מספר אטומי המאלחים אשר נדרשים כדי ליצור הבדל ביכולתו של המוליך למחצה להוליך הוא קטן ביותר. כאשר מוסיפים מספר קטן (יחסית למספר אטומי החומר הטהור) של אטומי מאלח, בסדר גודל של אחד ל-100 מיליון אטומים (0.01 ppm), החומר נקרא "מאולח קלות" (Lightly Doped). כאשר מוסיפים הרבה אטומים נוספים, בסדר גודל של אחד לעשרת אלפים, החומר נקרא "מאולח בכבדות" (Heavily Doped). בדרך כלל הסימון הוא +n כאשר המוליך למחצה הוא מסוג n, או +p כאשר המוליך למחצה הוא מסוג p.

ראו גם

• מוליך למחצה
• ניידות חשמלית

הערות שוליים

ערך זה הוא קצרמר בנושא טכנולוגיה. אתם מוזמנים לתרום לוויקיפדיה ולהרחיב אותו.