יסודות למידה של מוליכים למחצה

בפוסט זה אנו לומדים באופן מקיף על עקרונות העבודה הבסיסיים של מכשירי מוליכים למחצה, וכיצד המבנה הפנימי של מוליכים למחצה פועל בהשפעת חשמל.

לערך ההתנגדות בין חומרי מוליכים למחצה אלה אין מאפיין מוליך מלא ואינו מבודד שלם, הוא נמצא בין שני הגבולות הללו.

תכונה זו עשויה להגדיר את תכונת המוליכים למחצה של החומר, אולם מעניין לדעת כיצד עובד מוליך למחצה בין מוליך לבודד.

הִתנַגְדוּת סְגוּלִית

על פי חוק אוהם, ההתנגדות החשמלית של מכשיר אלקטרוני מוגדרת כיחס ההפרש הפוטנציאלי בין הרכיב לזרם הזורם דרך הרכיב.

כעת באמצעות מדידת התנגדות יכולה להוות בעיה אחת, ערכה משתנה ככל שהממד הפיזי של החומר הנגדי משתנה.

לדוגמא כאשר חומר התנגדות מוגדל באורכו, ערך ההתנגדות שלו גם עולה באופן פרופורציונלי.
באופן דומה, כאשר עוביו גדל ערך ההתנגדות שלו יורד באופן יחסי.

הצורך כאן הוא להגדיר חומר שיכול להצביע על מאפיין של הולכה או התנגדות לזרם חשמלי ללא קשר לגודלו, צורתו או מראהו הפיזי.

העוצמה לביטוי ערך התנגדות מסוים זה מכונה Resistivity, שיש לו את הסינבול ρ, (Rho)

יחידת המדידה להתנגדות היא אוהם-מטר (Ω.m), וניתן להבין אותה כפרמטר ההופכי למוליכות.

על מנת להשיג את ההשוואות בין התנגדות של כמה חומרים, הם מסווגים לשלוש קטגוריות עיקריות: מוליכים, מבודדים ומוליכים למחצה. התרשים שלהלן מספק את הפרטים הנדרשים:

כפי שניתן לראות באיור לעיל, קיים הבדל זניח בהתנגדות של מוליכים כמו זהב וכסף ואילו יתכן שיש הבדל משמעותי בהתנגדות בין מבודדים כגון קוורץ וזכוכית.

זאת בשל תגובתם לטמפרטורת הסביבה ההופכת מתכות למוליכות יעילות מאוד מאשר למבודדים

מנצחים

מהתרשים שלעיל אנו מבינים שלמוליכים יש את כמות ההתנגדות הנמוכה ביותר, אשר עשויה להיות בדרך כלל במיקרו-אוהם / מטר.

בשל התנגדותם הנמוכה הזרם החשמלי מסוגל לעבור דרכם בקלות, בשל זמינותם של כמות גדולה של אלקטרונים.

עם זאת ניתן לדחוף אלקטרונים אלה רק כאשר לחץ עליהם על המוליך, ולחץ זה יכול להיווצר על ידי הפעלת מתח על פני המוליך.

לפיכך, כאשר מוליכים מוליך עם הפרש פוטנציאלי חיובי / שלילי, האלקטרונים החופשיים של כל אטום של המוליך נאלצים להתנתק מאטומי ההורים שלהם והם מתחילים להיסחף בתוך המוליך, והוא ידוע בדרך כלל כזרם זרם. .

המידה בה אלקטרונים אלה מסוגלים לנוע תלויה באיזו קלות ניתן להשתחרר מהאטומים שלהם, בתגובה להפרש מתח.

מתכות נחשבות בדרך כלל כמוליכות טובות של חשמל, ובין מתכות זהב, כסף, נחושת ואלומיניום הם המוליכים הטובים ביותר.

מכיוון שלמוליכים אלה יש מעט מאוד אלקטרונים ברצועת הערכים של האטומים שלהם, הם בקלות נעקרים מהפרש פוטנציאלי והם מתחילים לקפוץ מאטום אחד לאטום הבא בתהליך שנקרא 'אפקט דומינו', וכתוצאה מכך זרימת זרם על פני מחשבון.

למרות שכסף וכסף הם המוליכים הטובים ביותר לחשמל, נחושת ואלומיניום עדיפים לייצור חוטים וכבלים בשל עלותם ושפעם הנמוך, וגם חוסנם הפיזי.

למרות העובדה שנחושת ואלומיניום הם מוליכים טובים לחשמל, עדיין יש להם התנגדות מסוימת, משום ששום דבר לא יכול להיות אידיאלי ב 100%.

אם כי קטן ההתנגדות שמציעים מוליכים אלה יכולה להיות משמעותית עם יישום זרמים גבוהים יותר. בסופו של דבר ההתנגדות לזרם גבוה יותר על מוליכים אלה מתפזרת כחום.

מבודדים

בניגוד למוליכים, מבודדים הם מוליכים רעים של חשמל. אלה בדרך כלל בצורה של מתכות, ויש להם מעט מאוד אלקטרונים פגיעים או חופשיים עם אטומי האב שלהם.

כלומר האלקטרונים של מתכות שאינן מתכות קשורים היטב לאטומי האב שלהם, שקשה מאוד לעקור אותם באמצעות יישום המתח.

בשל תכונה זו, כאשר מפעילים מתח חשמלי האלקטרונים אינם מצליחים להתרחק מהאטומים וכתוצאה מכך אין זרימה של אלקטרונים ולכן לא מתרחשת הולכה.

מאפיין זה מוביל לערך התנגדות גבוה מאוד לבידוד, בסדר גודל של מיליון אוהם.

חומרים כמו זכוכית, שיש, PVC, פלסטיק, קוורץ, גומי, נציץ, בקליט הם דוגמאות למבודדים טובים.

בדיוק כמו מוליך, גם מבודדים ממלאים תפקיד חשוב בתיק האלקטרוניקה. ללא מבודד יהיה בלתי אפשרי לבודד הפרשי מתח על פני שלבי מעגל, מה שמוביל לקצר.

לדוגמא אנו רואים שימוש בפורצלן ובזכוכית במגדלי מתח גבוה להעברת חשמל AC בבטחה על פני הכבלים. בחוטים אנו משתמשים ב- PVC לבידוד מסופים חיוביים ושליליים, ובמחשבי PCB אנו משתמשים בקליט על מנת לבודד מסלולי נחושת זה מזה.

יסודות מוליכים למחצה

חומרים כמו סיליקון (Si), גרמניום (Ge) וגליום ארסניד נמצאים תחת חומרים מוליכים למחצה בסיסיים. הסיבה לכך היא כי לחומרים אלה יש מאפיין של הובלת חשמל בינונית, וגורם לא להולכה תקינה ולא לבידוד תקין. בשל תכונה זו חומרים אלה נקראים כמוליכים למחצה.

חומרים אלה מציגים מעט מאוד אלקטרונים חופשיים על פני האטומים שלהם, המקובצים היטב במבנה של סריג גבישי. ובכל זאת, האלקטרונים מסוגלים להתנתק ולזרום, אך רק כאשר משתמשים בתנאים ספציפיים.

עם זאת, ניתן לשפר את קצב ההולכה במוליכים למחצה אלה על ידי החדרת או החלפה של אטומי 'תורם' או 'מקבלים' למערך הגבישי, מה שמאפשר שחרור של 'אלקטרונים חופשיים' נוספים ו'חורים 'או סגן. להיפך.

זה מיושם על ידי החדרת כמות מסוימת של חומר חיצוני לחומר הקיים כמו סיליקון או גרמניום.

כשלעצמו, חומרים כמו סיליקון וגרמניום מסווגים כמוליכים למחצה פנימיים, בשל אופיים הכימי הטהור הקיצוני, ונוכחותם של חומר מוליך למחצה שלם.

משמעות הדבר היא שגם על ידי החלת כמות טומאה מבוקרת אליהם אנו מסוגלים לקבוע את קצב ההולכה בחומרים הפנימיים הללו.

אנו יכולים להציג סוגים של זיהומים המכונים תורמים או מקבלים חומרים אלה כדי לשפר אותם באמצעות אלקטרונים חופשיים או חורים חופשיים.

בתהליכים אלה כאשר טומאה מתווספת לחומר פנימי בשיעור אטום טומאה אחד לכל 10 מיליון אטומי חומר מוליך למחצה, היא מכונה סימום .

עם כניסתו של טומאה מספקת, ניתן להפוך חומר מוליך למחצה לחומר מסוג N או מסוג P.

הסיליקון הוא בין החומרים המוליכים למחצה הפופולריים ביותר, בעל ארבעה אלקטרונים ערכיים על פני הקליפה החיצונית ביותר, ומוקף גם באטומים סמוכים ויוצרים מסלולים כוללים של 8 אלקטרונים.

הקשר בין שני אטומי הסיליקון מפותח בצורה כזו, שמאפשר שיתוף של אלקטרון אחד עם האטום הסמוך שלו, מה שמוביל לקשר יציב טוב.

בצורתו הטהורה גביש סיליקון עשוי להכיל מעט מאוד אלקטרונים עם ערך חופשי, המייחס לו תכונות של מבודד טוב, בעל ערכי התנגדות קיצוניים.

חיבור חומר סיליקון להבדל פוטנציאלי לא יעזור להולכה כלשהי באמצעותו, אלא אם כן נוצרים בו סוג של קוטביות חיובית או שלילית.

וכדי ליצור קוטביות כאלה, תהליך הסימום מיושם בחומרים אלה על ידי הוספת זיהומים כפי שנדון בפסקאות הקודמות.

הבנת מבנה אטומי הסיליקון

בתמונות לעיל אנו רואים כיצד נראה מבנה סריג קריסטל טהור מסיליקון טהור. לטומאה, בדרך כלל חומרים כמו ארסן, אנטימון או זרחן מוחדרים בתוך גבישי המוליכים למחצה שהופכים אותם לחיצוניים, כלומר 'בעלי זיהומים'.

הזיהומים המוזכרים מורכבים מחמישה אלקטרונים בפס החיצוני ביותר שלהם המכונה טומאה 'פנטוולנטית', לצורך שיתוף עם האטומים הסמוכים להם.
זה מבטיח ש -4 מתוך 5 האטומים מסוגלים להצטרף לאטומי הסיליקון הסמוכים, למעט 'אלקטרון חופשי' אחד שניתן לשחרר אותו בחיבור מתח חשמלי.

בתהליך זה, מכיוון שהאטומים הטמאים מתחילים 'לתרום' כל אלקטרון על פני האטום הסמוך שלהם, אטומי 'Pentavalent' נקראים 'תורמים'.

שימוש באנטימונים לסמים

אנטימון (Sb) וזרחן (P) הופכים לעיתים קרובות לבחירה הטובה ביותר להכנסת טומאה 'Pentavalent' לסיליקון.

באנטימון 51 אלקטרונים מותקנים על פני 5 פגזים סביב הגרעין שלו, ואילו הרצועה החיצונית ביותר מורכבת מחמישה אלקטרונים.
בשל כך, חומר המוליכים למחצה הבסיסי מסוגל לרכוש אלקטרונים נושאי זרם נוספים, כל אחד מהם מיוחס במטען שלילי. לכן הוא נקרא 'חומר מסוג N'.

כמו כן, האלקטרונים נקראים 'נושאי רוב' והחורים המתפתחים לאחר מכן מכונים 'נושאי מיעוט'.

כאשר מוליכים למחצה מסוממים באנטימונים נתונים לפוטנציאל חשמלי, האלקטרונים שבמקרה דופקים מוחלפים באופן מיידי על ידי האלקטרונים החופשיים מאטומי אנטימון. עם זאת, מכיוון שבסופו של דבר התהליך שומר על אלקטרון חופשי שצף בתוך הגביש המסומם, הדבר גורם לכך שהוא חומר טעון שלילי.

במקרה זה, מוליכים למחצה יכולים להיקרא מסוג N אם יש לו צפיפות תורם גבוהה מצפיפות הקולט שלו. הכוונה כאשר יש מספר גבוה יותר של אלקטרונים חופשיים בהשוואה למספר החורים, מה שגורם לקיטוב שלילי, כמפורט להלן.

הבנת מוליכים למחצה מסוג P

אם ניקח בחשבון את המצב הפוך, הכנסת טומאה 'טרוויוולנטית' 3 אלקטרון לתוך גביש מוליך למחצה, למשל אם אנו מכניסים אלומיניום, בורון או אינדיום, המכילים 3 אלקטרונים בקשר הערכיות שלהם, ולכן קשר 4th הופך להיות בלתי אפשרי להיווצר.

בגלל זה חיבור יסודי הופך להיות קשה, ומאפשר למוליכים למחצה לקבל הרבה מנשאים טעונים חיובי. מנשאים אלה נקראים 'חורים' על כל סריג המוליכים למחצה, בגלל הרבה מאוד אלקטרונים חסרים.

כעת, בשל הימצאותם של חורים בגביש הגומי הסיליקוני, אלקטרון סמוך נמשך אל החור, ומנסה למלא את החריץ. עם זאת, ברגע שהאלקטרונים מנסים לעשות זאת, הוא מתפנה ממיקומו ויוצר חור חדש במיקומו הקודם.

זה בתורו מושך את האלקטרון הסמוך הבא, שמשאיר שוב חור חדש תוך ניסיון לכבוש את החור הבא. התהליך ממשיך לתת רושם שבעצם החורים נעים או זורמים על פני המוליך למחצה, שאנו מכירים בדרך כלל כדפוס הזרימה המקובל של הזרם.

מכיוון ש'נראה כי החורים נעים 'נוצר מחסור באלקטרונים המאפשר לכל הגביש המסומם לרכוש קוטביות חיובית.

מכיוון שכל אטום טומאה הופך לאחראי ליצירת חור, זיהומים משולשים אלה נקראים 'מקבלים' בשל העובדה שאלו ממשיכים לקבל אלקטרונים חופשיים בתהליך.
בורון (B) הוא אחד התוספים המשולשים המשמשים באופן פופולרי לתהליך הסמים המוסבר לעיל.

כאשר משתמשים בבורון כחומר סימום, הוא גורם להולכה בעיקר לנשאים טעונים חיובי.
התוצאה היא יצירת חומר מסוג P בעל חורים חיוביים הנקראים 'נושאי רוב', ואילו האלקטרונים החופשיים נקראים 'נושאי מיעוט'.

זה מסביר כיצד חומר בסיס מוליך למחצה הופך לסוג P עקב צפיפות מוגברת של אטומי הקולט שלו בהשוואה לאטומי התורם.

כיצד משתמשים בבורון לסמים

סיכום יסודות המוליכים למחצה

מוליכים למחצה מסוג N (מסוממים עם טומאה מחומשת כגון אנטימון למשל)

מוליכים למחצה כאלה המסוממים באטומי טומאה מחומשים נקראים תורמים מכיוון שהם מראים הולכה באמצעות תנועת אלקטרונים ולכן הם מכונים כמוליכים למחצה מסוג N.
במוליכים למחצה מסוג N אנו מוצאים:

1. תורמים טעונים חיובי
2. מספר רב של אלקטרונים חופשיים
3. מספר 'חורים' יחסית פחות בהשוואה ל'אלקטרונים החופשיים '
4. כתוצאה מסמים נוצרים תורמים טעונים חיובי ואלקטרונים חופשיים טעונים שלילית.
5. יישום ההבדל הפוטנציאלי מביא להתפתחות אלקטרונים טעונים שלילית וחורים טעונים חיוביים.

מוליכים למחצה מסוג P (מסוממים עם טומאה משולשת כמו בורון למשל)

מוליכים למחצה כאלה המסוממים באטומי טומאה טרוולנטיים מכונים כמקבלים, מכיוון שהם מראים הולכה באמצעות תנועת חורים ולכן הם מכונים כמוליכים למחצה מסוג P.
במוליכים למחצה מסוג N אנו מוצאים:

1. מקבלים טעונים שלילית
2. כמות חורים בשפע
3. מספר קטן יחסית של אלקטרונים חופשיים בהשוואה לנוכחות חורים.
4. סימום גורם ליצירת מקבלים טעונים שלילית, וחורים טעונים חיובי.
5. יישום מתח שהוגש גורם לייצור חורים טעונים חיוביים ואלקטרונים חופשיים טעונים שלילית.

כשלעצמו, מוליכים למחצה מסוג P ו- N במקרה שלהם הם ניטרלים חשמלית, באופן טבעי.
בדרך כלל, אנטימון (Sb) ובורון (B) הם שני החומרים המשמשים כחברים לסמים בשל זמינותם הרבה. אלה נקראים גם 'מטטלואידים'.

עם זאת, אם תסתכלו על הטבלה המחזורית, תמצאו חומרים דומים רבים אחרים עם 3 או 5 אלקטרונים בפס האטומי החיצוני ביותר שלהם. מרמז על כך שחומרים אלה יכולים להתאים גם למטרת הסמים.
טבלה מחזורית