מוליך למחצה מאולח

מוליכים למחצה מאולחים או מוליכים למחצה אקסטרינזים (באנגלית: Doped Semiconductors) הם מוליכים למחצה הנזרעים באטומים זרים בכוונה תחילה כאשר האטומים המאלחים מסוגלים לספק לחומר תוספת אלקטרונים או חורים. הזרעה זו יוצרת עודף של נושאי מטען שלילי או חיובי בחומר.

ללא אילוח, התכונות החשמליות של מוליך למחצה טהור אינן שימושיות לרוב. האילוח גורם לשינוי התכונות הפיזיקליות של החומר, כך שהוא למשל יהפוך לחומר מוליך במתח חשמלי מסוים או בטמפרטורה מסוימת, אך מבודד בתנאים אחרים, או שיהיה בולע אור באורכי-גל מסוימים.

הצמדה של מוליכים למחצה מאולחים מסוגים שונים (p,n חיובי ושלילי, ראו בהמשך) יכולים ליצור דיודה, או טרנזיסטור, או התקנים אלקטרוניים חיוניים אחרים.

מנגנון פיזיקלי

מוליך למחצה מוגדר על ידי ההתנהגות הייחודית של המוליכות החשמלית שלו. מתכות מוליכות היטב משום שברמת הפרמי שלהן יש צפיפות גדולה יחסית של מצבים אנרגטיים פנויים אשר כל אלקטרון יכול למלא, וכך האלקטרונים יכולים לנוע בחופשיות בין רמות האנרגיה ללא איבוד אנרגיה גדול. מוליכות של מתכות יורדת כאשר עולה הטמפרטורה, בשל עליית הטמפרטורה, מתחזקות התנודות התרמיות בגביש והן מפריעות לתנועה החופשית של האלקטרונים. מבודדים לעומת זאת, מוליכים בצורה גרועה ביותר בגלל הפרש אנרגיה גדול בין הרמות האנרגטיות המאוכלסות על ידי אלקטרונים לבין הרמות הפנויות כך שמעשית תנועת אלקטרונים אינה אפשרית. מוליכות של מבודד עולה עם הטמפרטורה מכיוון שהאנרגיה אשר נמסרת לחומר כתוצאה מהחום מקדמת את האלקטרונים ומקטינה את הפרש האנרגיות לעבר הרמה בה מתאפשרת הולכה (פס הולכה).

במוליכים למחצה לעומת זאת, יש רמת ביניים של אלקטרונים מוליכים בהשוואה למתכות או מבודדים. הפרש האנרגיה שלהם קטן מספיק כדי שעלייה קטנה בטמפרטורה מקדמת מספיק אלקטרונים (דבר אשר מתבטא בזרם מדיד) מרמות האנרגיה הנמוכות (פס ערכיות) לעבר פס ההולכה. קידום זה יוצר חורים, או רמות בלתי מאוכלסות בפס הערכיות. בטמפרטורת החדר המוליכות של מוליך למחצה אינטרינזי היא נמוכה יחסית למוליך. המוליכות גדלה מאוד בתהליך שנקרא זיהום, אשר בו אלמנטים אחרים מוכנסים לגביש הטהור בכמויות קטנות מאוד.

מוליכים למחצה מאולחים מסוג p ומסוג n

כאשר מוליך למחצה מזוהם, כלומר מוסיפים לתוכו אטומים בעלי מספר גדול יותר של פרוטונים (ואלקטרונים) בכל גרעין, כך שהמזהם מגדיל את כמות האלקטרונים שיכולים להפוך לאלקטרונים חופשיים בקלות, החומר ייקרא מוליך למחצה מסוג n. כאשר המזהם יוצר חוסר באלקטרונים (כלומר, יוצר חורים), החומר ייקרא מוליך למחצה מסוג p. התהליך של הזיהום מתואר כקידום רמות האנרגיה בתוך האזור האסור של הפרש האנרגיות. כך נוצר מצב שבו עבור מוליך למחצה מסוג n, יש רמת אנרגיה קרובה יותר לפס ההולכה כך שאפילו זרם תרמי קטן ביותר יכול לשחרר אלקטרונים לתוך פס ההולכה, ועבור סוג p, החורים יהיו קרובים יותר לפס הערכיות.