מוליכים למחצה: סוגים, יישומים ודוגמאות - דודס - 2025

מוליכים למחצה הם האלמנטים לבצע את הפונקציה של מוליך סלקטיבי או בידוד, בהתאם לתנאי חיצוני שאליו הם חשופים, כגון טמפרטורה, לחץ, קרינה ושדות מגנטיים או חשמליים.

בטבלה המחזורית מופיעים 14 אלמנטים מוליכים למחצה, ביניהם סיליקון, גרמניום, סלניום, קדמיום, אלומיניום, גליום, בורון, אינדיום ופחמן. מוליכים למחצה הם מוצקים גבישיים בעלי מוליכות חשמלית בינונית, כך שניתן להשתמש בהם באופן דו-כידי כמוליך ומבודד.

אם הם משמשים כמוליכים, בתנאים מסוימים הם מאפשרים זרימת זרם חשמלי, אך בכיוון אחד בלבד. יתר על כן, אין להם מוליכות גבוהה כמו מתכות מוליכות.

מוליכים למחצה משמשים ביישומים אלקטרוניים, במיוחד לייצור רכיבים כמו טרנזיסטורים, דיודות ומעגלים משולבים. הם משמשים גם כאביזרים או השלמות לחיישנים אופטיים, כמו לייזרים במצב מוצק, וכמה מכשירי כוח למערכות העברת חשמל.

נכון לעכשיו, אלמנט מסוג זה משמש לפיתוחים טכנולוגיים בתחומי הטלקומוניקציה, מערכות בקרה ועיבוד אותות, הן ביישומים ביתיים והן תעשייתיים.

סוגים

ישנם סוגים שונים של חומרים מוליכים למחצה, בהתאם לזיהומים שהם מציגים והתגובה הגופנית שלהם לגירויים סביבתיים שונים.

מוליכים למחצה פנימיים

הם אותם יסודות שהמבנה המולקולרי שלהם מורכב מסוג אטום אחד. בין סוגים אלה של מוליכים למחצה מוליכים הם סיליקו וגרמניום.

המבנה המולקולרי של מוליכים למחצה מהותיים הוא טטרהדראלי; כלומר, יש לו קשרים קוולנטיים בין ארבעה אטומים מסביב, כפי שמוצג בתמונה למטה.

לכל אטום במוליך למחצה מוליך יש 4 אלקטרונים בעלי ערך. כלומר, 4 אלקטרונים המקיפים את הקליפה החיצונית ביותר של כל אטום. בתורו, כל אחד מהאלקטרונים הללו יוצר קשרים עם אלקטרונים סמוכים.

באופן זה, לכל אטום 8 אלקטרונים בשכבה השטחית ביותר שלו, ובכך נוצר קשר מוצק בין האלקטרונים לאטומים המרכיבים את סריג הגביש.

בשל תצורה זו, אלקטרונים אינם נעים בקלות בתוך המבנה. כך, בתנאים סטנדרטיים, מוליכים למחצה מוליכים מתנהגים כמו מבודד.

עם זאת, המוליכות של מוליך המוליכים למחצה עולה בכל פעם שהטמפרטורה עולה, מכיוון שאלקטרונים ערכיים מסוימים סופגים אנרגיית חום ונפרדים מהקשרים.

אלקטרונים אלה הופכים לאלקטרונים חופשיים, ואם מכוונים אותם על ידי הבדל פוטנציאל חשמלי, הם יכולים לתרום לזרימת הזרם בתוך סריג הגביש.

במקרה זה האלקטרונים החופשיים קופצים לתוך פס ההולכה והולכים לקוטב החיובי של המקור הפוטנציאלי (סוללה למשל).

התנועה של אלקטרונים הערכיות משרה ואקום במבנה המולקולרי, המתרגם לאפקט דומה לזה שנוצר על ידי מטען חיובי במערכת, וזו הסיבה שהם נחשבים לנשאים של מטען חיובי.

לאחר מכן, ישנה השפעה הפוכה, מכיוון שאלקטרונים מסוימים יכולים ליפול מלהקת ההולכה למעטפת הערכיות ומשחררים אנרגיה בתהליך, המכונה רקומבינציה.

מוליכים למחצה מוליכים למחצה

הם מתאימים על ידי הכללת זיהומים בתוך המוליכים המהותיים; כלומר על ידי שילוב של אלמנטים טריפלנטיים או מחומשים.

תהליך זה ידוע כסמים ומטרתו להגדיל את מוליכות החומרים, לשפר את תכונותיהם הפיזיות והחשמליות.

על ידי החלפת אטום מוליך למחצה מוליך אטום של מרכיב אחר, ניתן להשיג שני סוגים של מוליכים למחצה מוליכים-למחצה, המפורטים להלן.

מוליכים למחצה מסוג P

במקרה זה, הטומאה היא אלמנט מוליכים למחצה טריפלנטי; כלומר, עם שלושה (3) אלקטרונים במעטפת הערכיות שלה.

האלמנטים החודרניים בתוך המבנה נקראים יסודות סמים. דוגמאות לאלמנטים אלה עבור מוליכים למחצה מסוג P הם בורון (B), גליום (Ga) או אינדיום (In).

בהיעדר אלקטרון ערכיות ליצירת ארבעת הקשרים הקוואלנטיים של מוליך למחצה מוליך, למוליך המוליכים למחצה P יש פער בקשר החסר.

זה הופך את מעבר האלקטרונים שאינם שייכים לסריג הגבישי דרך החור הזה הנושא מטען חיובי.

בגלל המטען החיובי של פער הקשר, מוליכים מסוגים אלה מכונים על ידי האות P, וכתוצאה מכך הם מוכרים כמקבלי אלקטרונים.

זרימת האלקטרונים דרך החורים בקישור מייצרת זרם חשמלי המסתובב בכיוון ההפוך לזרם הנגזר מהאלקטרונים החופשיים.

מוליכים למחצה מסוג N

האלמנט החודר בתצורה ניתן על ידי אלמנטים מחומשים; כלומר, אלה שיש להם חמישה (5) אלקטרונים בפס הערכיות.

במקרה זה, הזיהומים המשולבים במוליך המוליכים למחצה הם אלמנטים כמו זרחן (P), אנטימון (Sb) או ארסן (As).

לסמים יש אלקטרון ערכי ערך נוסף, אשר ללא קשר קוולנטי לקשור אליו, הוא חופשי אוטומטית לעבור דרך סריג הגביש.

כאן, הזרם החשמלי מסתובב דרך החומר בזכות עודף האלקטרונים החופשיים שמספק הסם. מכאן שמוליכי מוליכים למחצה מסוג N נחשבים לתורמי אלקטרונים.

מאפיינים

מוליכים למחצה מאופיינים בפונקציונליות הכפולה שלהם, יעילות אנרגיה, מגוון יישומים ועלות נמוכה. להלן המאפיינים הבולטים של מוליכים למחצה.

- תגובתו (מוליך או מבודד) עשויה להשתנות בהתאם לרגישות האלמנט לתאורה, שדות חשמליים ושדות מגנטיים בסביבה.

- אם המוליך למחצה נתון לטמפרטורה נמוכה, האלקטרונים יישארו מאוחדים ברצועת הערכיות, ולכן לא יתעוררו אלקטרונים חופשיים לזרימת זרם חשמלי.

לעומת זאת, אם המוליכים למחצה נחשפים לטמפרטורות גבוהות, רטט תרמי יכול להשפיע על חוזק הקשרים הקוואלנטיים של אטומי היסוד, ולהשאיר אלקטרונים חופשיים להולכה חשמלית.

- המוליכות של מוליכים למחצה משתנה בהתאם לשיעור הזיהומים או אלמנטים הסמים בתוך מוליך למחצה מהותי.

לדוגמה, אם 10 אטומי בורון כלולים במיליון אטומי סיליקון, יחס זה מגדיל את מוליכות התרכובת פי אלף, בהשוואה למוליכות של סיליקון טהור.

- המוליכות של מוליכי למחצה משתנות בהפסקה שבין 1 ו 10 ^-6 S.cm ^-1 , תלוי בסוג של יסוד כימי המשמש.

- מוליכים למחצה מוליכים-מורכבים או חיצוניים יכולים להיות בעלי תכונות אופטיות וחשמליות העולים משמעותית על תכונותיהם של מוליכים-למחצה מוליכים פנימיים. דוגמא לכך היא גליום ארסניד (GaAs), המשמש בעיקר בתדרי רדיו ושימושים אחרים ביישומים אלקטרואלקטריים.

יישומים

מוליכים למחצה משמשים כחומר גלם בהרכבה של אלמנטים אלקטרוניים המהווים חלק מחיי היומיום שלנו, כמו מעגלים משולבים.

אחד האלמנטים העיקריים במעגל משולב הם טרנזיסטורים. מכשירים אלה ממלאים את הפונקציה של מתן אות פלט (מתנד, מוגבר או מתוקן) על פי אות קלט ספציפי.

בנוסף, מוליכים למחצה הם גם החומר העיקרי לדיודות המשמשות במעגלים אלקטרוניים כדי לאפשר זרם חשמלי לעבור בכיוון אחד בלבד.

לצורך תכנון דיודות נוצרים צמתים מוליכים-למחצה חיצוניים מסוג P ו- N.על ידי אלטרנטיביות של תורם אלקטרונים ואלמני נשא מופעל מנגנון איזון בין שני האזורים.

כך, האלקטרונים והחורים בשני האזורים מצטלבים ומשלימים זה את זה במידת הצורך. זה מתרחש בשתי דרכים:

- העברת אלקטרונים מאזור סוג N לאזור P מתרחשת. אזור סוג N משיג אזור טעינה חיובי בעיקר.

- יש מעבר של חורים נושאי אלקטרונים מהאזור מסוג P לאזור מסוג N. אזור ה- P רוכש מטען שלילי בעיקר.

לבסוף נוצר שדה חשמלי המשרה את זרימת הזרם בכיוון אחד בלבד; כלומר, מאזור N לאזור P.

בנוסף, שימוש בשילובים של מוליכים למחצה מוליכים-פנימיים וחיצוניים יכול לייצר מכשירים המבצעים פונקציות הדומות לצינור ואקום המכיל מאות פעמים את נפחו.

יישום מסוג זה חל על מעגלים משולבים כמו שבבי מיקרו-מעבד המכסים כמות ניכרת של אנרגיה חשמלית.

מוליכים למחצה קיימים במכשירים אלקטרוניים בהם אנו משתמשים בחיי היומיום שלנו, כגון ציוד קו חום כמו טלוויזיות, נגני וידאו, ציוד קול; מחשבים וטלפונים סלולריים.

דוגמאות

המוליך למחצה הנפוץ ביותר בתעשיית האלקטרוניקה הוא סיליקון (Si). חומר זה קיים במכשירים המרכיבים את המעגלים המשולבים המהווים חלק מחיי היומיום שלנו.

סגסוגות סיליקון גרמניום (SiGe) משמשים במעגלים משולבים במהירות גבוהה לרדיארים ומגברים של מכשירים חשמליים, כמו גיטרות חשמליות.

דוגמא נוספת למוליך למחצה היא גליום ארסניד (GaAs), הנמצאת בשימוש נרחב במגברי האות, במיוחד עבור אותות בעלי רווח גבוה ורמת רעש נמוכה.

הפניות

1. בריאן, מ '(נ'). איך מוליכים למחצה עובדים. התאושש מ: electronics.howstuffworks.com
2. Landin, P. (2014). מוליכים למחצה פנימיים וחיצוניים. התאושש מ: pelandintecno.blogspot.com
3. Rouse, M. (nd). מוֹלִיך לְמֶחֱצָה. התאושש מ: whatis.techtarget.com
4. מוליכים למחצה (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. לונדון, בריטניה. התאושש מ: britannica.com
5. מהם מוליכים למחצה? (sf). © Hitachi High-Technologies Corporation. התאושש מ: hitachi-hightech.com
6. ויקיפדיה, האינציקלופדיה החופשית (2018). מוֹלִיך לְמֶחֱצָה. התאושש מ: es.wikipedia.org