דוגמה לחומרים מוליכים למחצה

על פי יכולתם להוביל זרם חשמלי, חומרים מחולקים לשלוש קטגוריות: מוליכים, מבודדים ומוליכים למחצה. הדוגמה הבולטת ביותר למוליכים הם מתכות, כגון נחושת קו, אלומיניום אל וכסף אג; ומבודדי הפולימרים והזכוכית. השיעור השלישי יידון בהמשך: מוליכים למחצה.

המאפיינים החשמליים של מוליכים למחצה הם בין אלה של מבודדים ומוליכים.סיליקון סי וגרמניום ג'י הם דוגמאות ידועות למוליכים למחצה המשמשים לעתים קרובות בייצור מגוון מכשירים אלקטרוניים.. ניתן לשנות את המאפיינים החשמליים של מוליכים למחצה בכמה סדרי גודל, ולהוסיף כמויות מבוקרות של אטומים זרים לחומרים.

מוליכים למחצה מתנהגים כמבודדים בטמפרטורות נמוכות, אך אם זה מוגבר, הם מתנהגים כמוליכים. דואליות מוליכות זו נובעת מכך שאלקטרוני הערכיות של החומר קשורים באופן חופשי לגרעינים שלהם. אטומי, אך לא מספיק, כדי שעליית הטמפרטורה תאפשר להם לעזוב את האטום להסתובב דרך הסריג האטומי של חוֹמֶר. ברגע שאלקטרון עוזב אטום, הוא משאיר חור במקומו שאותו ניתן למלא על ידי אלקטרון אחר שהסתובב בסריג.

זהו המקרה של היסודות הכימיים שהוזכרו קודם לכן, סיליקון סי וגרמניום ג'י, שיש להם ארבעה אלקטרוני ערכיות ברמתם האחרונה. יש לציין שכדי להוסיף אנרגיה לחומר המוליך למחצה, בנוסף להעברת חום, ניתן להחיל אור.

כדי להבין טוב יותר את התנהגותם של חומרי מוליכים למחצה, תשתמש בתורת הלהקות.

תורת הלהקה

 הקונספט של הלהקה של ולנסיה, שהיא האנרגיה המצטברת שבידי אלקטרוני הערכיות.

בנוסף, תיאוריה זו מטפלת בהגדרה של רצועת הולכה, כאנרגיה יחד שיש לאלקטרונים לסגת מהאטומים שלהם. האלקטרונים הנמצאים ברצועת ההולכה יכולים להסתובב דרך החומר אם קיים מתח חשמלי המניע אותם בין שתי נקודות.

בהתבסס על שתי הלהקות, המקרים של מנצח, מבודד וסמיקונדקטור יילמדו כדי לקבל פרספקטיבה עבור האחרונים.

עבור מנצח, האנרגיה של להקת ולנסיה גדולה מזו של האלקטרונים של להקת ההולכה. באופן שהלהקות חופפות ואלקטרונים של ולנסיה רבים ממוקמים על ההולכה בקלות רבה, ולכן, עם אפשרות להסתובב באמצע.

לעומת זאת, עבור מבודד, אנרגיית להקת ההולכה גדולה בהרבה מהאנרגיה של להקת ולנסיה. כאן יש פער בין להקת ולנסיה ללהקת ההולכה, כך שהאלקטרונים של ולנסיה אינם יכולים לגשת ללהקת ההולכה שתהיה ריקה. לכן המבודד אינו מתנהל. רק בטמפרטורות גבוהות יכולים חומרים אלה להיות מוליכים.

במקרה של מוליכים למחצה, להקת ההולכה עדיין גדולה יותר מלהקת ולנסיה, אך הפער בין השניים קטן משמעותית, כך שעם עלייה אנרגטית, האלקטרונים של ולנסיה קופצים ללהקת ההולכה ויכולים להסתובב דרך המדיום. כאשר אלקטרון קופץ מלהקת ולנסיה ללהקת ההולכה, הוא משאיר ביצה בלהקת ולנסיה שנחשבת גם כמובילה של זרם חשמלי.

במוליכים למחצה נבדלים שני סוגים של נושאי זרם חשמלי: אלקטרונים טעונים שלילית, וחורים, טעונים באופן חיובי.

סוגי מוליכים למחצה 

ישנם שני סוגים של מוליכים למחצה על פי טהרתם. חומרים מוליכים למחצה במצבם הטהור ידועים כמוליכים למחצה פנימיים; ויש מוליכים למחצה חיצוניים, שהם טהורים אך מזוהמים עם זיהומים בפרופורציות זעירות, כמו חלקיק אחד בכל מיליון.

תהליך זיהום זה נקרא Doping, אשר בתורו מתבטא בשני סוגים.

הסם הראשון של סימום הוא סוג N, בו החומר מזוהם בעל 5 אטומים, כגון זרחן P, ארסן אס, או אנטימון Sb. על ידי שילוב אלקטרון הערכיות החמישי במבנה של אטומים רב-ערכיים, נאלצים לנדוד דרך חומר המוליכים למחצה, מבלי למצוא אתר יציב בו להיות ממוקם. הסט של האלקטרונים השגויים האלה נקרא אלקטרונים של רוב.

הסם השני של סימום הוא סוג P, בו חומר המוליך למחצה מזוהם באטומי הערכיות 3, כמו בורון B, גליום גא או אינדיום אין. אם אטום זה מוחדר לחומר, נותר חור לאן צריך ללכת האלקטרון. החור נע בקלות דרך מבנה החומר, כאילו הוא נושא מטען חיובי. במקרה זה, החורים הם נושאי הרוב.

יישום מוליכים למחצה: דיודה

הדיודה היא רכיב אלקטרוני המורכב מאיחוד שני גבישי מוליכים למחצה חיצוניים, האחד מסוג N והשני מסוג P. על ידי הצטרפות אליהם, חלק מהאלקטרונים העודפים מסוג N עוברים לקריסטל מסוג P, וחלק מהחורים מסוג P עוברים לקריסטל מסוג N. רצועה הנקראת אזור המעבר נוצרת בצומת, שיש בה שדה חשמלי שמתנהג כמו מחסום המתנגד למעבר של אלקטרונים נוספים מאזור N לאזור P ושל חורים מאזור P לאזור נ.

כאשר דיודה מחוברת לסוללה, מתרחשים שני מקרים שונים: הטיה קדימה והטיה הפוכה.

בקיטוב ישיר, הקוטב החיובי מחובר לקריסטל P והקוטב השלילי לקריסטל N. זה הופך את אזור המעבר לצר הרבה יותר, פורץ את המחסום ומאפשר מעבר חופשי של הזרם. במצב זה, הדיודה מוליכה.

בקיטוב הפוך, הקוטב החיובי מתחבר לקריסטל N והקוטב השלילי לקריסטל P. זה הופך את אזור המעבר להרבה יותר רחב, ומחזק את המחסום שמונע את מעבר הזרם. במקרה זה, הדיודה מבודדת.

היישומים של הדיודה הם מרובים. עם זאת, היישום הפופולרי ביותר הוא זה שמשתמש בו כמיישר. מיישר היא מערכת המסוגלת להמיר אות קלט לסירוגין לסירוגין לאחר שיש לו את אותו התחושה, כדי להמיר אחר כך זרם חילופין לזרם ישר. לפני תיקון הזרם משתמשים בשנאי שמפחית את ערך המתח.

דוגמאות לחומרים מוליכים למחצה

לפי הקבוצה בה הם נמצאים בטבלה המחזורית, אלו כמה דוגמאות לאלמנטים של מוליכים למחצה:

קבוצה IIIA: בורון B, אלומיניום אל, גליום גא, אינדיום אין.

מע"מ קבוצתי: סיליקון סי, גרמניום ג'י.

קבוצה VA: זרחן P, ארסן As, Antimon Sb.

קבוצה VIA: Sulphur S, Selenium Se, Tellurium Te.