מוליך למחצה

מוליך למחצה (באנגלית: Semiconductor) הוא חומר אשר תכונות ההולכה החשמלית שלו נמצאות בתחום הרחב שבין אלה של חומרים מוליכים לבין אלה של חומרים מבודדים. תכונות ההולכה של מוליך למחצה משתנות מאוד כתלות בגורמים חיצוניים כגון טמפרטורה וחשיפה לאור. לחומרים מוליכים למחצה שימושים רבים בתחום האלקטרוניקה.
הניסוי הראשון בחומר מוליך למחצה נערך על ידי מייקל פאראדיי ב-1833. פאראדיי גילה כי ההתנגדות החשמלית של כסף גופרי יורדת בצורה דרסטית עם חימומו של החומר על גזיה רגילה.

החומרים

המוליכות החשמלית של חומר מסוים תלויה בצפיפות האלקטרונים החופשיים שיש לו, כלומר בכמות האלקטרונים שלא משתתפים בקשרים כימיים. כמות האלקטרונים החופשיים נקבעת על פי מבנה הפסים של החומר. לחומרים מוליכים יש צפיפות אלקטרונים חופשיים מסדר גודל של  אלקטרונים למטר מעוקב ולמבודדים יש כמות זעומה. בשני המקרים כמות זו כמעט ולא משתנה כתוצאה מעירורים חיצוניים.
באופן טיפוסי, מוליכים למחצה הם חומרים מהטור הרביעי של הטבלה המחזורית, כגון צורן (סיליקון) Si וגרמניום Ge המאופיינים ב-4 אלקטרוני ערכיות. כאשר החומר מסודר כגביש טהור, כל אטום בשריג הגבישי הוא בעל 4 שכנים איתם הוא נמצא בקשר קוולנטי, כך שלמעשה בכל המערכת אין אלקטרונים חופשיים להולכה. גביש כזה נקרא מוליך למחצה אינטרינזי, והאלקטרונים החופשיים בו הם תוצאה של פגמים בגביש או עירור תרמי מפס הערכיות לפס ההולכה. כדי להגדיל את המוליכות החשמלית של מוליך למחצה ניתן לאלח (לסמם) את הגביש על ידי השתלת חומר אחר בתוכו בעל מספר שונה של אלקטרוני ערכיות. גביש כזה נקרא מוליך למחצה אקסטרינזי וצפיפות האלקטרונים החופשיים בו תלויה בצפיפות החומר המאלח. אלקטרון שעבר מפס הערכיות לפס ההולכה או שנקשר בקשר קוולנטי לאטום מאלח משאיר אחריו חור - המתואר כחלקיק הנושא מטען חיובי.
בנוסף, ניתן להשתמש בתרכובות המשלבות שני חומרים, שאחד מהם הוא מהטור השלישי והשני מהטור החמישי. כך מרכיב אחד תורם להולכה חמישה אלקטרונים והמרכיב השני תורם רק שלושה, ומתקבל מצב דומה לשימוש בחומרים מהטור הרביעי. תרכובות שימושיות בתעשיית המיקרואלקטרוניקה הן גליום-ארסניד (שילוב של גליום וארסן) ואינדיום-פוספיד (שילוב של אינדיום וזרחן). לצורכי הדמיה תרמית התפתחה תרכובת משולשת של מרקורי-קדמיום-תלוריד וקיימות תרכובות רבות אחרות.

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). לאינטראקציה בין שני סוגי הזרמים חשיבות עליונה בצומת ה-PN.

צומת PN

צומת PN הוא חיבור של חומר מסוג N עם חומר מסוג P (למעשה מדובר באותו גביש המזוהם בצורות שונות ולא בשני חומרים שונים המחוברים ביניהם). בצד P של הצומת נושאי המטען החופשיים הם חורים, וריכוזם גבוה הרבה יותר מאשר בצד השני של הצומת. בצד N נושאי המטען החופשיים הם אלקטרונים, וריכוזם גבוה הרבה יותר מאשר בצד השני של הצומת. ניתן לראות את שני החומרים באיור. כאשר נצמיד את החומרים, תתבצע דיפוזיה של אלקטרונים מצד N לצד P ודיפוזיה של חורים מצד P לצד N, כפי שניתן לראות בשלב השני באיור. בקרבת הצומת, 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 המנוגד לכיוון תהליך הדיפוזיה וכעבור זמן מה, שני התהליכים מאזנים אחד את השני ונמצאים בשיווי משקל תרמודינאמי, כפי שניתן לראות בשלב השלישי באיור.
נחזור לאנלוגיה. כעת ישנם שני חדרים. בראשון כמות מסוימת של כיסאות והמוני אנשים ובשני המצב הפוך. התנהגות האנשים מוכתבת על ידי שני אינסטינקטים - "מיזנתרופיה" (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 הצומת 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.
חשוב להבין שהמתח החיצוני המופעל על הצומת בממתח קדמי רק "עוזר" ליותר נושאי מטען לחצות את הצומת, והזרם הוא הזרם שנוצר רק על ידי דיפוזיה. ככל שהממתח החיצוני יותר גדול (קדמי), יותר נושאי מטען מצליחים לחצות את הצומת, לכן הפרש הפוטנציאלים יותר גדול ולכן זרם הדיפוזיה יותר גדול (הזרם דרך הדיודה).

עירורי אנרגיה

דרך אחרת לגרום לחומר להוליך חשמל היא 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 משמשת 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 פוטורזיסטור ומשמש למגוון ישומים בהן נדרשת מדידה של עוצמת אור, כגון מצלמות דיגיטליות, אמצעים לראיית לילה וטלסקופים. באופן דומה קיימים חיישנים הרגישים לטמפרטורה.
שימוש חשוב נוסף למוליך למחצה הוא הלוחות הסולריים, ההופכים את אנרגיית הפוטונים הנבלעים בחומר לאנרגיה חשמלית.

שימושים נוכחיים ועתידיים

התכונות המיוחדות של חומרים מוליכים למחצה איפשרו התקדמות אדירה בתחום המיקרואלקטרוניקה. בפרט, נוצרו התקנים חדשים כדוגמת הטרנזיסטור והדיודות אשר החליפו את שפופרות הריק ואפשרו 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.
ישנו ניסיון למצוא חומרים חדשים בעלי תכונות משופרות החל מחומרים מורכבים וכלה בניסיונות למצוא ולנצל חומרים ביולוגיים המציגים התנהגות של חומרים מוליכים למחצה (כדוגמת המלנין). חוקרים רבים, ביניהם פיזיקאים, כימאים ומהנדסי חשמל שוקדים על פיתוח התקנים חדשים ועל לימודם לעומק של הקיימים. כמו כן קיימים ניסיונות לשפר את תהליכי הייצור במיקרואלקטרוניקה שיאפשרו ליצור התקנים קטנים יותר ופרוסות סיליקון טהורות וגדולות יותר.