מוליכים למחצה הם אבני בניין מרכזיות של האלקטרוניקה המודרנית. לכל מוצק יש רמות אנרגיה שמאפיינות אותו, ובמוליכים למחצה קיים פער קטן בין רמות האנרגיה הנמוכות (ערכיות) לבין הרמה או הרמות שמעליו (רמות הולכה). בטמפרטורה אפסית כל רמות הערכיות מלאות ורמות ההולכה ריקות, ולכן החומר מבודד, אולם בטמפרטורה סופית אלקטרונים יכולים לקפוץ מעל פער האנרגיה הקטן אל רמת ההולכה, להשאיר חורים ברמת הערכיות ואז החומר הופך למוליך.
דרך נוספת לעודד הולכה היא על ידי אילוח. אילוח הוא הוספה של אטומים אחרים לתוך המוליך-למחצה. האטומים האלה יכולים לתרום לחומר אלקטרון (N-type), וכך להוסיף לו אלקטרונים שיכולים להוליך חשמל, או לקחת ממנו אלקטרונים (P-type), וכך ליצור חורים ברמת הערכיות, שגם הם יכולים לתרום להולכה חשמלית.
היכולת לייצר חומר זהה באילוחים שונים מאפשרת ליצור צמתים בין חומרים מאולחים מסוג N-type לבין חומרים מאולחים P-type, צמתיים כאלה, וצמתים מורכבים עוד יותר, הם היסודות הבסיסים של האלקטרווניקה המודרנית.
היישומון שלפנינו מאפשר לראות מה קורה כשאנחנו מאלחים מוליכים למחצה, ומה קורה בצומת הפשוט ביותר האפשרי מסוג P-N. להפעלת היישומון לחצו על התמונה:
היישומון הופק במסגרת פרוייקט PhET של אוניברסיטת קולורדו.
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.
בצד שמאל של היישומון מופיעות רמות האנרגיה של המוליך-למחצה שלנו. כל בלוק צהוב מייצג רמת אנרגיה אחת. תוכלו לראות שהישומון מתחיל כך שרמות האנרגיה שמתחת לפער האנרגיה (האזור הלבן הגדול) מלאות לחלוטין ואילו רמות האנרגיה שמעליו ריקות. בשלב הזה המוליך-למחצה שלנו אינו מאולח.
בצד ימין נוכל לבחור אם לעבוד עם מקטע אחד של מוליך-למחצה או עם שניים. נתחיל עם אחד בלבד. המעגל החשמלי מאפשר לנו לאלח את המוליך-למחצה שלנו על ידי גרירת מאלחים אליו. כמו כן אפשר לשים "מתח" משני צדי המוליך-למחצה ולראות אם זורם זרם במעגל ומה קורה במוליך-למחצה.
החלו עם מוליך-למחצה שאינו מאולח, נסו לשים מתח בסוללה. לא משנה כמה מתח תשימו – תגלו שלא מתקבל כל זרם. המוליך-למחצה הוא חומר מבודד ללא אילוח. (הערה, נסו לחשוב האם זה נכון תמיד? האם יש מתח שכן יגרום לזרם גם בלי אילוח? אם יש לכם רעיונות, פרסמו אותם בפורום).
כעת אלחו את המוליך-למחצה באמצעות אילוח P. תוכלו לראות שאלקטרונים "נעלמים" מרמת הערכיות. שימו מתח משני צדי המוליך-למחצה ותראו שכעת זורם בו זרם. חזרו על הניסוי עם אילוח מסוג N. האם הזרם זורם באותו כיוון או שמא בכיוון ההפוך? אם התוצאה אינה זהה למה שציפיתם, כתבו זאת בפורום ואנו נדון בכך.
כעת נעבור לחלק היותר מענין של הייישומון: עברו לשני מקטעים. נוכל כמובן לא לאלח כלום, או לאלח את שני המקטעים באותו סוג של אילוח, אבל אז המצב לא יהיה שונה מאשר במקטע אחד. במקום זאת אלחו מקטע אחד בתוך P והשני בתור N. כך ייווצר רכיב שמכונה צומת P-N. עשו זאת כאשר המתח על הסוללה הוא אפס וולט ותראו שמיד עוברים כמה אלקטרונים מהאזור העשיר באלקטרונים לאזור העני (מהN ל-P) ובתוך המוליך-למחצה נוצר שדה חשמלי פנימי. במציאות קורה גם דבר נוסף שלא רואים ביישומון הזה. האלקטרונים שעוברים מצד העשיר באלקטרונים לצד העני הם אלקטרונים שנמצאים סמוך לנקודת החיבור בין שני המוליכים למחצה. לכן אזור נקודת החיבור מתרוקן מנושאי מטען, והוא נותר ללא אלקטרונים וגם ללא חורים. מיד נראה איך הדבר הזה משפיע.
כעת הבה נשים מתח בסוללה. תחילה שימו מתח כך שהצד החיובי (השחור) של הבטריה יחובר למוליך-למחצה מסוג P. במצב כזה הסוללה מנסה לדחוף אלקטרונים מהצד העשיר באלקטרונים לצד העני. לכאורה זה נשמע קל, אך שימו לב מה קורה כשאתם מעלים לאט לאט את המתח. העלו אותו בקפיצות של 0.1 ותראו שהמוליך-למחצה אינו מתנהג כמו נגד רגיל. תחילה הוא כלל לא נותן לזרם לעבור דרכו, ואז לפתע מתחיל לזרום זרם רב מאוד. חשבו על כך ונסו להבין אם אתם מבינים את התופעה. אם יש לכם שאלות לגביה, העלו אותן בפורום.
כעת החזירו את הסוללה למתח 0. כעת נהפוך את כיוון המתח של הצומת ונחבר את הצד החיובי של הסוללה למוליך-למחצה מסוג N. שימו מתח קל על הסוללה ותראו שהמצב הפנימי של הצומת משתנה, עד שהוא מגיע למצב של שיווי משקל שבו הצומת מבודד ואינו מעביר זרם כלל. למעשה, בצמתים אמיתיים קיימים אפקטים נוספים שלא נלקחו כאן בחשבון והם מובילים לכך שגם במצב זה יזרום זרם, אך הוא יהיה חלש מאוד.
הצומת P-N שבנינו הוא למעשה דיודה בסיסית. בכיוון אחד היא אינה מעבירה זרם ובכיוון מתח הפוך היא אינה מעבירה זרם עד מתח סף מסוים, ואז נפרצת ומעבירה זרם רב. הדיודה היא רכיב שונה מאוד מנגדים פשוטים ויש לה תפקידים חשובים מאוד במעגלים חשמליים.
ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
