כאשר אנו חושבים על מכשירים אלקטרוניים, אנו חושבים לעיתים קרובות כמה התקנים אלה פועלים במהירות או כמה זמן אנו יכולים להפעיל את המכשיר לפני טעינת הסוללה. מה שרוב האנשים לא חושבים עליו הוא ממה עשויים הרכיבים במכשירים האלקטרוניים שלהם. אמנם כל מכשיר שונה במבנהו, אך לכל מכשיר זה משותף דבר אחד - מעגלים אלקטרוניים עם רכיבים המכילים את היסודות הכימיים סיליקון וגרמניום.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
סיליקון וגרמניום הם שני יסודות כימיים הנקראים מטלואידים. ניתן לשלב גם סיליקון וגם גרמניום עם אלמנטים אחרים הנקראים חומרים מסוממים ליצירת מכשירים אלקטרוניים במצב מוצק, כגון דיודות, טרנזיסטורים ותאים פוטו-אלקטריים. ההבדל העיקרי בין דיודות סיליקון וגרמניום הוא המתח הדרוש להפעלת הדיודה (או להיות "מוטה קדימה"). דיודות סיליקון דורשות 0.7 וולט כדי להיות מוטות קדימה, ואילו דיודות גרמניום דורשות 0.3 וולט בלבד כדי להיות מוטות קדימה.
כיצד לגרום למטלואידים להוביל זרמים חשמליים
גרמניום וסיליקון הם יסודות כימיים הנקראים מטלואידים. שני האלמנטים שבירים ובעלי ברק מתכתי. לכל אחד מהיסודות הללו יש מעטפת אלקטרונים חיצונית המכילה ארבעה אלקטרונים; תכונה זו של סיליקון וגרמניום מקשה על כל אחד מהאלמנטים בצורתו הטהורה ביותר להיות מוליך חשמלי טוב. אחת הדרכים לגרום למטלואיד להוביל זרם חשמלי באופן חופשי היא לחמם אותו. הוספת חום גורמת לאלקטרונים החופשיים במתכת לנוע מהר יותר ולנסוע באופן חופשי יותר, ומאפשרים יישום זרם חשמלי לזרום אם די בהפרש המתח על פני המטאלואיד כדי לקפוץ להולכה לְהִתְאַגֵד.
הכנסת Dopants לסיליקון ולגרמניום
דרך נוספת לשנות את המאפיינים החשמליים של גרמניום וסיליקון היא הכנסת יסודות כימיים הנקראים מסמים. אלמנטים כמו בורון, זרחן או ארסן נמצאים בטבלה המחזורית ליד סיליקון וגרמניום. כאשר מכניסים חומרים מסוממים למטלואיד, המסם מספק חומר אלקטרוני נוסף למעטפת האלקטרונים החיצונית של המטאלואיד או מונע את המטאלואיד מאחד האלקטרונים שלו.
בדוגמה המעשית של דיודה, חתיכת סיליקון מסוממת עם שני חומרים מסמים שונים, כמו בורון מצד אחד וארסן מצד שני. הנקודה בה הצד המסומם בורון פוגש את הצד המסומם בארסן נקראת צומת P-N. עבור דיודת סיליקון, הצד המכוסה בורון נקרא "סיליקון מסוג P" מכיוון שהכנסת בורון מונעת את הסיליקון של אלקטרון או מכניסה "חור" אלקטרוני. עַל בצד השני, סיליקון מסומם ארסן נקרא "סיליקון מסוג N" מכיוון שהוא מוסיף אלקטרון, מה שמקל על הזרימה החשמלית כאשר מתח מופעל על דיודה.
מכיוון שדיודה משמשת כשסתום חד כיווני לזרימת הזרם החשמלי, חייב להיות הפרש מתח המופעל על שני חצאי הדיודה, והוא חייב להיות מיושם באזורים הנכונים. מבחינה מעשית, פירוש הדבר כי יש ליישם את הקוטב החיובי של מקור כוח על החוט העובר אל חומר מסוג P, בעוד שהמוט השלילי חייב להיות מיושם על החומר מסוג N כדי שהדיודה תתנהל חַשְׁמַל. כאשר מפעילים כוח כראוי לדיודה, והדיודה מוליכה זרם חשמלי, אומרים שהדיודה מוטה קדימה. כאשר הקוטב השלילי והחיובי של מקור כוח מוחל על חומרי הקוטביות ההפוכה של דיודה - קוטב חיובי ל חומר מסוג N וקוטב שלילי לחומר מסוג P - דיודה אינה מוליכה זרם חשמלי, מצב המכונה הטיה הפוכה.
ההבדל בין גרמניום לסיליקון
ההבדל העיקרי בין דיודות גרמניום לסיליקון הוא המתח בו הזרם החשמלי מתחיל לזרום בחופשיות על פני הדיודה. דיודת גרמניום מתחילה בדרך כלל להוביל זרם חשמלי כאשר המתח המופעל כראוי על פני הדיודה מגיע ל -0.3 וולט. דיודות סיליקון דורשות מתח רב יותר כדי להוביל זרם; נדרש 0.7 וולט כדי ליצור מצב הטיה קדימה בדיודת סיליקון.