מוליך למחצה

מוליך למחצה הוא חומר שתכונות ההולכה שלו באמצע בין מוליך למבודד. תכונות אלה משתנות בטמפרטורה, באור ובזיהומים, ולכן משתמשים בו באלקטרוניקה. מייקל פאראדיי גילה כבר ב-1833 ששינוי טמפרטורה משנה את ההתנגדות של תרכובות כמו כסף גופרי.

במוליכים רגילים כמות גדולה של אלקטרונים חופשיים זורמת. במבודדים אין כמעט אלקטרונים חופשיים. במוליכים למחצה המצב תלוי במבנה הפסים האנרגטיים שלהם. דוגמות נפוצות הן צורן (סיליקון, Si) וגרמניום (Ge). אפשר גם להשתמש בתרכובות כמו גליום-ארסניד (GaAs) ואינדיום-פוספיד (InP).

גביש טהור של מוליך למחצה נקרא אינטרינזי (intrinsic). כמעט אין בו אלקטרונים חופשיים, ורק פגמים או עירור תרמי מייצרים נושאי מטען. כאשר מוסיפים זיהומים מבוקרים לתוך הגביש (תהליך שנקרא אילוח או doping), מקבלים מוליך למחצה אקסטרינזי (extrinsic) עם יותר נושאי מטען.

אם מוסיפים יסודות עם חמש אלקטרוני ערכיות, נקבל אלקטרונים עודפים. יסודות אלה נקראים תורמים (donors). אם מוסיפים יסודות עם שלוש אלקטרוני ערכיות, נוצרים חורים, חוסר של אלקטרון שמתנהג כמטען חיובי. חור הוא פשוט מקום ריק שאלקטרון יכול לעבור אליו. אם יש יותר אלקטרונים החומר נקרא מסוג N. אם יש יותר חורים החומר נקרא מסוג P.

זרם סחיפה (drift) נגרם משדה חשמלי שמזיז אלקטרונים לכיוון מסוים. זרימת פעפוע (דיפוזיה) נגרמת מהבדלים בריכוז נושאי המטען, חלקיקים נעים מאזורים צפופים לחלשים. בשבבים שני סוגי הזרמים פועלים ביחד והאינטראקציה ביניהם חשובה לתפקוד רכיבים.

צומת PN נוצר כאשר מצמידים חומר מסוג P לחומר מסוג N באותו גביש. אלקטרונים ו​חורים יוצרים פעפוע וחיבור, ואז נוצר אזור ריק ממטענים חופשיים שנקרא אזור הדלדול (depletion zone). סיגים טעונים באזור זה יוצרים שדה חשמלי נגד הפעפוע, והמערכת מגיעה לשיווי משקל.

כשתפעיל מתח קדמי (צד P חיובי יחסית לצד N) הזרם יעבור בקלות. במתח הפוך הזרם נחסם. התנהגות זו היא של דיודה, רכיב שמעביר זרם בכיוון אחד בלבד. דיודות וטרנזיסטורים הם אבני בניין של האלקטרוניקה.

חימום או הארה יכולים לתת לאלקטרונים אנרגיה ולעורר אותם מפס הערכיות לפס ההולכה. כך נוצרים זוגות אלקטרון-חור. תופעה זו מנוצלת בחיישני אור (פוטורזיסטורים) ובתאים סולאריים שממירים אור לחשמל.

חלק מהמוליכים למחצה מציגים אפקט פלטייה (Peltier), שבו זרם חשמלי יוצר מפל טמפרטורה. אפקט זה משמש לקירור ולחימום ייעודיים בתעשייה וברפואה.

קשה לייצר חומר מוליך למחצה אחיד וצפוי. נדרשים שליטה על טוהר הגביש ועל רמות האילוח, כדי לקבל תכונות חשמליות קבועות.

מוליכי למחצה אפשרו את הטרנזיסטור והדיודה, שהחליפו שפופרות ריק והובילו למהפכה דיגיטלית. משתמשים בהם בגלאי אור, בראיית לילה ובמיקרואלקטרוניקה. חוקרים מנסים לפתח חומרים חדשים ושיטות ייצור משופרות, ובוחנים גם חומרים ביולוגיים כמו מלנין למצבים מיוחדים.

מוליך למחצה הוא חומר שהולך קצת חשמל. הוא בין מוליך לחשמלי לבין מבודד. תכונותיו משתנות בטמפרטורה ובאור.

דוגמאות חשובות הן סיליקון (Si) וגרמניום (Ge). יש גם חומרים שעושים מהם תערובת, כמו גליום-ארסניד.

גביש טהור נקרא אינטרינזי. אם מוסיפים זיהומים מכוונים קוראים לזה אילוח. אילוח נותן חומר שמוביל חשמל טוב יותר.

כאשר מוסיפים יסוד עם אלקטרון עודף, נקבל אלקטרונים נעים. היסוד הזה נקרא תורם. אם מוסיפים יסוד שחסר בו אלקטרון, נוצרים חורים. חור הוא פשוט מקום ריק של אלקטרון, והוא מתנהג כמו מטען חיובי.

אם יש יותר אלקטרונים קוראים לחומר N. אם יש יותר חורים קוראים לחומר P.

סחיפה היא תזוזה שנגרמת משדה חשמלי. פעפוע הוא תזוזה שמתרחשת ממהר לאט, כדי להשוות ריכוזים.

כאשר מצמידים חלק P לחלק N נוצר צומת PN. באזור המפגש נשאר אזור בלי חלקיקים חופשיים, נקרא אזור הדלדול. אם מזינים מתח בכיוון אחד הזרם עובר. אם מוכנסים הפוך הזרם נחסם. זה כמו שער שעובד בכיוון אחד.

חימום או אור יכולים להעיר אלקטרונים. אז נוצרים אלקטרון וחור ביחד. זה שימושי בחיישני אור ובתאים סולאריים שממירים אור לחשמל.

יש חומרים שמתחממים או מתקררים כשעוברים בהם זרמים. זו תופעה נקראת אפקט פלטייה.

קשה לייצר חלקים אחידים. צריך לשלוט בטוהר ובכמות הזיהום.

מוליכים למחצה נמצאים במחשבים, במצלמות ובאמצעים רפואיים. הם עזרו ליצור טרנזיסטורים ודיגיטל. מדענים מחפשים חומרים טובים יותר לעתיד.