היתרונות של מוליכים למחצה

מוליכים למחצה הם חומרים שמוליכותם החשמלית שוכנת בין מוליכים ומבודדים טובים. מוליכים למחצה, ללא כל טומאה, נקראים מוליכים למחצה פנימיים. גרמניום וסיליקון הם המוליכים למחצה הפנימיים הנפוצים ביותר. שניהם Ge (מספר אטומי 32) וגם סיליקון (מספר אטום 14) שייכים לקבוצה הרביעית של הטבלה המחזורית, והם טטרוולנטיים.

בטמפרטורות הקרובות לאפס מוחלט, Ge ו- Si טהורים מתנהגים כמבודדים מושלמים. אך מוליכותן גדלה עם עליית הטמפרטורה. עבור Ge, אנרגיית הקישור של אלקטרון בקשר קוולנטי היא 0.7 eV. אם אנרגיה זו מסופקת בצורה של חום, חלק מהקשרים נשברים והאלקטרונים משתחררים.

בטמפרטורות רגילות, חלק מהאלקטרונים משוחררים מאטומי הקריסטל Ge או Si והם נודדים בתוך הקריסטל. היעדרו של אלקטרון במקום שנכבש בעבר מרמז על מטען חיובי באותו מקום. אומרים שנוצר "חור" במקום בו משחררים את האלקטרון. חור (ריק) שווה ערך למטען חיובי ויש לו נטייה לקבל אלקטרון.

כאשר אלקטרון קופץ לחור, נוצר חור חדש במקום בו היה האלקטרון בעבר. תנועת האלקטרונים לכיוון אחד שקולה לתנועת החורים בכיוון ההפוך. לפיכך, במוליכים למחצה פנימיים, חורים ואלקטרונים מיוצרים בו זמנית, ושניהם משמשים כמובילי מטען.

ישנם שני סוגים של מוליכים למחצה חיצוניים: מסוג n ו- p.

מוליכים למחצה מסוג n: אלמנטים כמו ארסן (As), אנטימון (Sb) וזרחן (P) הם מחומשים, ואילו Ge ו- Si הם בעלי חצי ערך. אם מוסיפים כמות קטנה של אנטימון לקריסטל Ge או Si, כטומאה, אז מתוך חמשת האלקטרונים הערכיים שלו, ארבעה יהוו קשרים קוולנטיים עם אטומי Ge שכנים. אבל האלקטרון החמישי של האנטימון הופך כמעט לחופשי לנוע בגביש.

אם מפעילים מתח פוטנציאלי על גבי הגאיש-קריסטל המסומם, האלקטרונים החופשיים ב- Ge המסוממים יעברו לכיוון הטרמינל החיובי והמוליכות תגדל. מכיוון שהאלקטרונים החופשיים הטעונים שלילית מגבירים את המוליכות של קריסטל ה- Ge המסומם, הוא נקרא מוליך למחצה מסוג n.

מוליכים למחצה מסוג p: אם מתווספת טומאה משולשת כמו אינדיום, אלומיניום או בורון (בעלי שלושה אלקטרוני ערכיות) ב- a חלק קטן מאוד ל- Ge או Si הרביעי, ואז נוצרים שלושה קשרים קוולנטיים עם שלושה אטומי Ge. אך אלקטרון הערכיות הרביעי של Ge אינו יכול ליצור קשר קוולנטי עם אינדיום מכיוון שלא נותר אלקטרוני לזיווג.

היעדר או חסר של אלקטרון נקרא חור. כל חור נחשב לאזור של מטען חיובי באותה נקודה. מכיוון שהמוליכות של Ge המסומם באינדיום נובעת מחורים, זה נקרא מוליך למחצה מסוג p.

לפיכך, סוג n ו- p הם שני סוגים של מוליכים למחצה, והשימושים בהם מוסברים כדלקמן: מוליכים למחצה ומוליכים למחצה מסוג n מחוברים יחד, והממשק המשותף נקרא צומת p-n דיודה.

דיודת צומת p-n משמשת כמיישר במעגלים אלקטרוניים. טרנזיסטור הוא מכשיר מוליך למחצה תלת-טרמינלי, המיוצר על ידי כריכת פרוסה דקה של חומר מסוג n בין שתי חתיכות גדולות יותר של חומר מסוג p, או פרוסה דקה של מוליך למחצה מסוג p בין שתי חלקים גדולים יותר מסוג n מוֹלִיך לְמֶחֱצָה. לפיכך, ישנם שני סוגים של טרנזיסטורים: p-n-p ו- n-p-n. טרנזיסטור משמש כמגבר במעגלים אלקטרוניים.

השוואה בין דיודת מוליכים למחצה לוואקום תיתן הצצה חיה יותר לגבי היתרונות של מוליכים למחצה.

• בניגוד לדיודות ואקום, אין חוטים בהתקני מוליכים למחצה. לפיכך, אין צורך בחימום כדי לפלוט אלקטרונים במוליכים למחצה.
• ניתן להפעיל התקני מוליכים למחצה מיד לאחר הפעלת מכשיר המעגל.
• בניגוד לדיודות ואקום, צליל זמזום לא מופק על ידי מוליכים למחצה בזמן הפעולה.
• בהשוואה לצינורות ואקום, התקני מוליכים למחצה תמיד זקוקים למתח הפעלה נמוך.
• מכיוון שמוליכים למחצה קטנים בגודלם, המעגלים בהם מעורבים הם גם קומפקטיים מאוד.
• שלא כמו צינורות ואקום, מוליכים למחצה הם חסינים בפני זעזועים. יתר על כן, הם קטנים יותר בגודלם ותופסים פחות מקום וצורכים פחות חשמל.
• בהשוואה לצינורות ואקום, מוליכים למחצה רגישים ביותר לטמפרטורה ולקרינה.
• מוליכים למחצה זולים יותר מדיודות ואקום ומחזיקים חיי מדף ללא הגבלה.
• מכשירי מוליכים למחצה אינם זקוקים לוואקום להפעלה.

לסיכום, היתרונות של מכשירי מוליכים למחצה עולים בהרבה על אלה של צינורות ואקום. עם כניסתו של חומר מוליך למחצה התאפשר לפתח מכשירים אלקטרוניים קטנים שהיו מתוחכמים, עמידים ותואמים יותר.

מכשיר המוליכים למחצה הנפוץ ביותר הוא הטרנזיסטור, המשמש לייצור שערים לוגיים ומעגלים דיגיטליים. היישומים של מכשירי מוליכים למחצה משתרעים גם על מעגלים אנלוגיים המשמשים במתנדים ומגברים.

התקני מוליכים למחצה משמשים גם במעגלים משולבים, הפועלים במתח ובזרם גבוהים מאוד. היישומים של מכשירי מוליכים למחצה נראים גם בחיי היומיום. לדוגמא, שבבי מחשב מהירים מיוצרים ממוליכים למחצה. טלפונים, ציוד רפואי ורובוטיקה משתמשים גם בחומרי מוליכים למחצה.