מוליך למחצה – הבדלי גרסאות

 

הניסוי הראשון בחומר מוליך למחצה נערך על ידי [[מייקל פאראדיי]] ב-[[1833]]. פאראדיי גילה כי ההתנגדות החשמלית של [[כסף (יסוד)|כסף]] [[גופרית|גופרי]] יורדת בצורה דרסטית עם חימומו של החומר על גזיה רגילה.

 

== החומרים ==

המוליכות החשמלית של חומר מסוים תלויה ב[[צפיפות מטען|צפיפות]] האלקטרונים החופשיים שיש לו, כלומר בכמות האלקטרונים שלא משתתפים בקשרים כימיים. כמות האלקטרונים החופשיים נקבעת על פי [[מבנה פסים|מבנה הפסים]] של החומר. ל[[מוליך חשמל|חומרים מוליכים]] יש צפיפות אלקטרונים חופשיים מסדר גודל של <math>10^{28}</math> אלקטרונים ל[[מטר מעוקב]] ולמבודדים יש כמות זעומה. בשני המקרים כמות זו כמעט ולא משתנה כתוצאה מעירורים חיצוניים.

 

 

== אילוח וסוגי הולכה ==

פעולת זיהום מכוון של גביש נקי על ידי חומר אחר נקראת [[אילוח (מוליכים למחצה)|אילוח]] (doping). על ידי הוספה של חומרים מהעמודה החמישית, נוספים אלקטרונים עודפים. קשרם של אלקטרונים אלה לאטומים חלש יותר ולכן לאחר עירור תרמי הם מסוגלים להשתחרר, לנוע ולהעביר זרם חשמלי, חומרים אלו נקראים תורמים (donors). מצד שני, על ידי הוספה של חומרים מהעמודה השלישית, נוצרים [[קשר קוולנטי|קשרים קוולנטיים]] בהם חסר אלקטרון, חומרים אלו נקראים אקספטורים (acceptors). מחסור בקשר הקוולנטי באלקטרון נקרא חור והוא מתנהג כמו נושא מטען חיובי, כפי שיוסבר מיד בעזרת [[אנלוגיה|האנלוגיה]] הבאה. תארו לעצמכם חדר עם הרבה אנשים חסרי נחת והרבה כיסאות, כך שישנו רק כיסא אחד פנוי. מדי פעם, אדם שיושב סמוך לכיסא הריק, יקום מכיסאו ויתיישב עליו. כעבור כמה זמן, אדם אחר יתיישב על כיסאו וכך הלאה. מתבונן מבחוץ, שלא שם לב לאנשים, יראה כיסא ריק שזז ממקום למקום. האנשים הם האלקטרונים (נושאי המטען השליליים) והכיסא הריק - כלומר אי הימצאותו של אדם עליו - הם החורים (המתנהגים כמו נושאי מטען חיוביים). מאחר שאין נושאי מטען חיוביים ידועים, תופעה זו סקרנה חוקרים רבים עד שנמצא לה הסבר. בהמשך לאותה אנלוגיה, צופה חיצוני הרואה אדם הקם מכיסאו ומתחיל לנוע רואה בעצם שני דברים: ראשית, את היווצרותו של אדם מהלך נוסף (נושא מטען שלילי) ושנית את היווצרותו של כיסא ריק נוסף (נושא מטען חיובי). אירוע זה, בו נוצרים זוגות אלקטרון-חור, נקרא גנרציה. האירוע ההפוך, בו אדם מתיישב על כיסא פנוי (או אלקטרון תופס את מקומו של החור), נקרא רקומבינציה.

 

 

== זרמי סחיפה ודיפוזיה ==

במוליכים, הזרימה המשמעותית היחידה היא זרם הסחיפה: כאשר [[שדה חשמלי]] (הנוצר על ידי [[מתח חשמלי]]) גורם לאלקטרונים להיסחף בכיוון מסוים. זרם סחיפה ניתן לתיאור כמסדרון ארוך ובו הרבה אנשים. האנשים שומעים קול הקורא להם להתקדם לכיוון מסוים והם מתקדמים בכיוון זה. האנשים הם נושאי המטען, הקול הקורא להם להתקדם הוא השדה החשמלי.

 

 

== צומת PN ==

נחזור לאנלוגיה. כעת ישנם שני חדרים. בראשון כמות מסוימת של כיסאות והמוני אנשים ובשני המצב הפוך. התנהגות האנשים מוכתבת על ידי שני אינסטינקטים - "מיזנטרופיה" (הגורמת לרצון למצוא מקום נפרד, כלומר לבצע דיפוזיה) ו"אהבת מולדת" (הגורמת לרצון לחזור לביתו, כלומר השדה החשמלי הנוצר). ראשית, האנשים מנסים למצוא מקום נפרד ומבצעים דיפוזיה לחדר השני ובאותו אופן, הכיסאות הריקים שגם שונאים את בני מינם, מבצעים דיפוזיה לחדר הראשון. כעבור כמה זמן, כאשר הצפיפות משתנה אהבת המולדת משפיעה יותר, כך אנשים וכיסאות חוזרים לחדרם. תנועתם מאוזנת, כלומר כמות ההולכים והשבים זהה, ונוצר מצב של שיווי משקל. חשוב לציין שאנלוגיה זו מוגבלת ומתארת רק את מה שרואה מתבונן מהצד ולא את הגורמים לכך (כוחות משיכה חשמליים).

 

 

== עירורי אנרגיה ==

דרך אחרת לגרום לחומר להוליך חשמל הינה לבצע עירור אנרגיה חיצוני. לדוגמה על ידי העלאת ה[[טמפרטורה]] (שנותנת לאלקטרונים יותר אנרגיה תרמית) או על ידי [[אור|הארה]] (בליעת [[פוטון|פוטונים]] מספקת לאלקטרונים מספיק אנרגיה לפרוץ מהקשר הכימי). כאשר אלקטרון משתחרר "נוצר" גם חור, שלא כמו במקרה של זיהום בו נוסף רק נושא מטען אחד.

 

 

== ייצור חומרים מוליכים למחצה ==

{{הפניה לערך מורחב|תהליכי ייצור במיקרואלקטרוניקה}}

ייצורם של חומרים מוליכים למחצה, בעלי תכונות חשמליות אחידות וצפויות, היא משימה קשה משתי סיבות עיקריות:

* רמת הטוהר הכימית הדרושה בזמן התהליך - נוכחותם של חומרים זרים, גם בכמויות מזעריות, יכולה להשפיע בצורה הרסנית על תכונות החומר. [[חדר נקי|החדרים הנקיים]], הנקיים בסדרי גודל מחדרי ניתוח, אינם מספיקים ותהליך הייצור כולל תהליכים נוספים שמטרתם לשמור על טוהר החומר. לדוגמה, בתהליך zone refining מתיכים חלק מהגביש, זיהומים שונים נוטים להתרכז באזור המותך ושאר החומר נותר טהור יותר.

 

== שימושים נוכחיים ועתידיים ==

התכונות המיוחדות של חומרים מוליכים למחצה איפשרו התקדמות אדירה בתחום ה[[מיקרואלקטרוניקה]]. בפרט, נוצרו התקנים חדשים כדוגמת [[טרנזיסטור|הטרנזיסטור]] וה[[דיודה|דיודות]] אשר החליפו את [[שפופרת ריק|שפופרות הריק]] ואפשרו התפתחות [[טכנולוגיה|טכנולוגית]] חסרת תקדים ואת תחילת העידן הדיגיטלי. נוצרו גלאי אור חדשים, לדוגמה גלאים בתחום [[אור|האור הנראה]] המשמשים [[צילום דיגיטלי|למצלמות דיגיטליות]] וכן גלאים בתחום [[תת אדום|התת אדום]] המשמשים לראיית לילה.

 

ישנו נסיון למצוא חומרים חדשים בעלי תכונות משופרות החל מחומרים מורכבים וכלה בנסיונות למצוא ולנצל חומרים ביולוגיים המציגים התנהגות של חומרים מוליכים למחצה (כדוגמת ה[[מלנין]]). חוקרים רבים, ביניהם [[פיזיקאי|פיזיקאים]], [[כימאי|כימאים]] ומהנדסי חשמל שוקדים על פיתוח התקנים חדשים ועל לימודם לעומק של הקיימים. כמו כן קיימים נסיונות לשפר את [[תהליכי ייצור במיקרואלקטרוניקה|תהליכי הייצור במיקרואלקטרוניקה]] שיאפשרו ליצור התקנים קטנים יותר [[פרוסת סיליקון|ופרוסות סיליקון]] טהורות וגדולות יותר.

 

== קישורים חיצוניים ==

* [http://nobelprize.org/physics/educational/semiconductors/intro.html הסבר פשוט וצבעוני על מוליכים למחצה] {{אנגלית}}

* [http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/ ספר על מוליכים למחצה] {{אנגלית}}

 

{{חשמל}}

 

[[קטגוריה:אלקטרוניקה]]

[[קטגוריה:פיזיקה]]