מוליך למחצה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

פרוסת צורן (סיליקון)

חומר מוליך למחצה ("Semiconductor") הינו חומר אשר תכונות ההולכה החשמלית שלו נמצאות בתחום הרחב שבין אלה של חומרים מוליכים לבין אלה של חומרים מבודדים. בשונה מהם, תכונות ההולכה של מוליך למחצה משתנות מאוד בתלות בגורמים חיצוניים, כגון טמפרטורה ואור. הניסוי הראשון בחומר מוליך למחצה נערך על ידי מייקל פאראדיי ב-1833. פאראדיי גילה כי ההתנגדות החשמלית של כסף גּפרי יורדת בצורה דרסטית עם חימומו של החומר על גזיה רגילה.

[עריכה] החומרים

תאור של גביש סיליקון. לכל אטום 4 אלקטרונים בקליפה החיצונית שמשתתפים בקשר קוולנטי

המוליכות החשמלית של חומר מסוים תלויה בכמות האלקטרונים החופשיים שיש לו, כלומר בכמות האלקטרונים שלא משתתפים בקשרים כימיים. כמות האלקטרונים החופשיים נקבעת על פי מבנה הפסים של החומר. לחומרים מוליכים יש כמות עצומה של אלקטרונים חופשיים ולמבודדים יש כמות זעומה. בשני המקרים כמות זו כמעט ולא משתנה בגלל ערורים חיצוניים.

באופן טיפוסי, מוליכים למחצה הם חומרים מהטור הרביעי של הטבלה המחזורית, כגון צורן Si (סיליקון) וגרמניום Ge המאופיינים ב4 אלקטרונים בקליפה החיצונית. כאשר החומר מסודר כגביש טהור, כל אטום בשריג הגבישי בעל 4 שכנים איתם הוא נמצא בקשר קוולנטי, כך שלמעשה בכל המערכת אין אלקטרונים חופשיים להולכה, גביש כזה נקרא אינטרינזי. כדי לשפר, אם צריך, את תכונות ההולכה מזהמים את הגביש על ידי השתלת חומר אחר בתוכו, גביש כזה נקרא אקסטרינזי.

במילים אחרות, גביש אשר התכונות החשמליות שלו נשלטות על ידי עירורים תרמים של אלקטרונים מפס הערכיות לפס ההולכה נקרא אינטרינזי וגביש אשר כמות האלקטרונים או החורים בפס ההולכה או פס הערכיות בהתאמה נשלטים על ידי ריכוז הזיהום בתוכו נקרא אקסטרינזי. בטמפרטורה גבוהה מספיק, כתלות בריכוז הזיהום, מתנהגים גם גבישים אקסטרינזים כגבישים אינטרינזים.

בנוסף, ניתן להשתמש בתרכובות המשלבות שני חומרים, שאחד מהם הוא מהטור השלישי והשני מהטור החמישי. כך מרכיב אחד תורם חמישה אלקטרונים והמרכיב השני תורם רק שלושה ומתקבל מצב זהה, בקירוב, לשימוש בחומרים מהטור הרביעי. תרכובות שימושיות בתעשיית המיקרואלקטרוניקה הן גליום-ארסניד (שילוב של גליום וארסן) ואינדיום-פוספיד (שילוב של אינדיום וזרחן). לצרכי הדמיה תרמית התפתחה תרכובת משולשת של מרקורי-קדמיום-תלוריד וקיימות כמובן תרכובות רבות אחרות.

[עריכה] אילוח (Doping) וסוגי הולכה

גביש סיליקון בשלושה זמנים שונים. הקווים מסמנים את הקשרים הקוולנטיים. האלקטרונים עוברים ממקום למקום, ממלאים את החסר או לחלופין - החור עובר ממקום למקום ומהווה, דה פקטו, נושא מטען חיובי

פעולת זיהום הגביש על ידי חומר אחר נקראת 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 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 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 ואין 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.

הכמות וסוג נושאי המטען החופשיים בחומר תלויה בסוג הזיהום של המוליך למחצה ובשיעור הזיהום בו. מוליך למחצה יכול להכיל נושאי מטען חופשיים מסוג אחד או משני הסוגים גם יחד, בשיעורים דומים או שונים, וכל זאת בהתאם לסוג ולמידת הזיהום שבו. מוליך למחצה, שרוב נושאי המטען החופשיים בו הם אלקטרונים, נקרא חומר N type. מוליך למחצה, שרוב נושאי המטען החופשיים בו הם חורים, נקרא חומר P type.

[עריכה] 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.

במוליכים למחצה קיים סוג נוסף של זרימה הנקרא זרימת דיפוזיה. זרימה זו נוצרת כאשר ריכוז נושאי המטען אינו אחיד. יותר נושאי מטען נעים ממקומות בהם ריכוז נושאי המטען גבוה למקומות בהם ריכוזם נמוך, מאשר להפך. באופן זה, זרימת הדיפוזיה מביאה לאחר זמן מה להשוואת ריכוזים. הבדלים בריכוזים נוצרים בדרך כלל באופן מלאכותי - על ידי סימומים שונים. זרם הדיפוזיה זניח לחלוטין במתכות, שם ההבדלים בריכוזים זעירים ביחס לכמות נושאי המטען.

אם מופעל מתח, מתקיים זרם הדיפוזיה במקביל לתנועה הכללית בכיוון השדה החשמלי (זרם הסחיפה). לאינטרקציה בין שני סוגי הזרמים חשיבות עליונה בצומת ה-PN.

[עריכה] צומת PN

ערך מורחב – צומת PN

תאור סכמטי של השלבים עד לשיווי משקל. העיגולים השחורים הם האלקטרונים, הלבנים הם החורים. הריבועים הם הסיגים המיוננים ומטענם

צומת PN הוא חיבור של חומר מסוג N עם חומר מסוג P (למעשה מדובר באותו גביש המסומם בצורות שונות ולא בשני חומרים שונים המחוברים ביניהם). בצד P של הצומת יש חורים ובפרט, ריכוזם גבוהה הרבה יותר מאשר בצד השני של הצומת. בצד N יש אלקטרונים ובפרט, ריכוזם גבוהה הרבה יותר מאשר בצד השני של הצומת. ניתן לראות את שני החומרים באיור. תתבצע דיפוזיה של אלקטרונים מצד N לצד P ודיפוזיה של חורים מצד P לצד N, כפי שניתן לראות בשלב השני באיור. בקרבת הצמת, משני צדדיו, מתרחשת רקומבינציה ונשארים רק סיגים מיוננים, כלומר אטומים לא ניטראליים מבחינה חשמלית. בצד P נותרים סיגים נוטלים הטעונים במטען שלילי ואילו בצד N נותרים סיגים תורמים הטעונים במטען חיובי. אזור זה נקרא אזור המחסור (depletion zone), שכן בגלל תהליכי הגנרציה והרקומבינציה החוזרים ונשנים, נראה שאין בו נושאי מטען. סיגים טעונים אלו יוצרים שדה חשמלי היוצר סחיפה המנוגדת לתהליך הדיפוזיה וכעבור כמה זמן, שני התהליכים מאזנים אחד את השני ונמצאים בשיווי משקל, כפי שניתן לראות בשלב השלישי באיור.

למעלה, צומת PN בממתח קדמי. למטה, צומת PN בממתח אחורי

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).

התנהגות הצומת נהית מעניינת ומועילה יותר כאשר מפעילים עליו מתח חיצוני ומנסים להעביר דרכו זרם חשמלי בכיוונים שונים. מתח בכיוון אחד ידחוף נושאי מטען כלפי הצמת ויקל על מעבר הזרם, פעולה זו נקראת הפעלת מתח קדמי. אם נפעיל מתח בכוון המנוגד, נושאי המטען יתקשו עוד יותר לחצות את הצומת (משום שהם נמשכים ממנו על ידי השדה החשמלי המופעל) ולא יזרום זרם בכוון זה. בהמשך לאנלוגיה ניתן לומר כי שינוי המתח מחזק או מחליש את מידת ההשפעה של אהבת המולדת על נושאי המטען. בממתח קדמי, נושאי המטען ימשכו יותר לצד השני ויעבור זרם, התנגדות הצומת תשתנה עם השינוי במתח. בממתח אחורי, נושאי המטען לא יעברו לצד השני וכך לא יהיה זרם. כלומר הצומת מעביר זרם לכיוון אחד בלבד. דרך ההתנהגות זו של הצומת מאפשרת את בניית הדיודה והטרנזיסטור.

[עריכה] עירורי אנרגיה

תא פוטו-וולטאי העשוי מצורן

דרך אחרת לגרום לחומר להוליך חשמל הינה לבצע עירור אנרגיה חיצוני. לדוגמה על ידי העלאת הטמפרטורה (שנותנת לאלקטרונים יותר אנרגיה תרמית) או על ידי הארה (בליעת 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.

רגישות זו לשינויים חיצוניים משתמשת לגילוי העירור עצמו ולא כדי להקנות לחומר תכונות כלשהן. ניתן לבנות גלאי אור פשוט על ידי פיסת חומר מתאימה, להפעיל מתח חשמלי בין הדקיה ולמדוד את הזרם החשמלי הזורם דרכה, כאשר יפגע אור בלוח, ההולכה החשמלית שלו תשתפר והזרם יגדל. רכיב זה נקרא תא פוטואלקטרי ומשמש למגוון ישומים כגון מצלמות דיגיטליות, אמצעים לראיית לילה וטלסקופים. באופן דומה ניתן למדוד גם שינויים בטמפרטורה. שימוש חשוב נוסף הוא הלוחות הסולריים, ההופכים את אנרגית הפוטונים הנבלעים בחומר לאנרגיה חשמלית.

[עריכה] ייצור חומרים מוליכים למחצה

ערך מורחב – תהליכי ייצור במיקרואלקטרוניקה

חדר נקי

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. 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.
• שלמות הגביש הדרושה - חריגות מהמבנה הגבישי יפגמו באיכות החומר ובביצועיו, בתהליך הייצור מגדלים גבישים גליליים וחותכים אותם לפרוסות. שמירה על שלמות הגביש נהיית מסובכת ככל שמגדילים את קוטר הגליל. כרגע מגדלים גבישים בקוטר של 20 או 30 סנטימטר, כאשר חוזים מעבר ל45 סנטימטר בעוד מספר שנים.

[עריכה] שימושים נוכחיים והעתיד

התכונות המיוחדות של חומרים מוליכים למחצה איפשרו התקדמות אדירה בתחום המיקרואלקטרוניקה. בפרט, נוצרו התקנים חדשים כדוגמת הטרנזיסטור והדיודות אשר החליפו את שפופרות הריק ואיפשרו התפתחות טכנולוגית חסרת תקדים ואת תחילת העידן הדיגיטלי. נוצרו גלאי אור חדשים, לדוגמה גלאים בתחום האור הנראה המשמשים למצלמות דיגיטליות וכן גלאים בתחום התת אדום המשמשים לראיית לילה.

ישנם הרבה תחומי מחקר הקשורים למוליכים למחצה. ישנו נסיון למצוא חומרים חדשים בעלי תכונות משופרות החל מחומרים מורכבים וכלה מנסיונות למצוא ולנצל חומרים ביולוגיים המציגים התנהגות של חומרים מוליכים למחצה (כדוגמת המלנין). חוקרים רבים, ביניהם פיזיקאים, כימאים ומהנדסי חשמל שוקדים על פיתוחם של התקנים חדשים ועל לימודם לעומק של הקיימים. כמו כן קיימים נסיונות לשפר את תהליכי הייצור במיקרואלקטרוניקה שיאפשרו ליצור התקנים קטנים יותר ופרוסות סיליקון טהורות וגדולות יותר.

[עריכה] קישורים חיצוניים

• הסבר פשוט וצבעוני על מוליכים למחצה (באנגלית)
• ספר (באנגלית) על מוליכים למחצה