מוליך למחצה

פרוסת צורן (סיליקון)

מוליך למֶחֱצָה (בקיצור לעיתים: מל"ם או מל"מ; באנגלית: Semiconductor) הוא חומר אשר תכונות ההולכה החשמלית שלו נמצאות בתחום הרחב שבין תכונותיהם של חומרים מוליכים לבין אלה של חומרים מבודדים. תכונות ההולכה של מוליך למחצה משתנות כתלות בגורמים חיצוניים כגון טמפרטורה, חשיפה לאור, וזיהומים. 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

תיאור של גביש סיליקון. לכל אטום 4 אלקטרונים בקליפה החיצונית שמשתתפים בקשר קוולנטי.

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 $10^{28}$ 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 שבעיקרון, בחתיכת מוליך למחצה אין כלל אלקטרונים חופשיים להולכה, והאלקטרונים החופשיים שנמצאים בה בפועל הם תוצאה של פגמים בגביש או עירור תרמי מפס הערכיות לפס ההולכה. גביש כזה נקרא מוליך למחצה אינטרינזי.

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.

אילוח וסוגי הולכה

ערך מורחב – אילוח (מוליכים למחצה)

גביש סיליקון בשלושה זמנים שונים. הקווים מסמנים את הקשרים הקוולנטיים. האלקטרונים עוברים ממקום למקום, ממלאים את החסר או לחלופין - החור עובר ממקום למקום ומהווה, דה פקטו, נושא מטען חיובי.

פעולת זיהום מכוון של גביש נקי על ידי חומר אחר נקראת אילוח (doping). על ידי הוספה של חומרים מהעמודה החמישית, נוספים אלקטרונים עודפים. קשרם של אלקטרונים אלה לאטומים חלש יותר ולכן לאחר עירור תרמי הם מסוגלים להשתחרר, לנוע ולהעביר זרם חשמלי, חומרים אלו נקראים תורמים (donors). מצד שני, על ידי הוספה של חומרים מהעמודה השלישית, נוצרים קשרים קוולנטיים בהם חסר אלקטרון, חומרים אלו נקראים אקספטורים (acceptors). מחסור בקשר הקוולנטי באלקטרון נקרא חור והוא מתנהג כמו נושא מטען חיובי, כפי שיוסבר מיד בעזרת האנלוגיה הבאה. תארו לעצמכם חדר עם הרבה אנשים חסרי נחת והרבה כיסאות, כך שישנו רק כיסא אחד פנוי. מדי פעם, אדם שיושב סמוך לכיסא הריק, יקום מכיסאו ויתיישב עליו. כעבור כמה זמן, אדם אחר יתיישב על כיסאו וכך הלאה. מתבונן מבחוץ, שלא שם לב לאנשים, יראה כיסא ריק שזז ממקום למקום. האנשים הם האלקטרונים (נושאי המטען השליליים) והכיסא הריק - כלומר אי הימצאותו של אדם עליו - הם החורים (המתנהגים כמו נושאי מטען חיוביים). מאחר שאין נושאי מטען חיוביים ידועים, תופעה זו סקרנה חוקרים רבים עד שנמצא לה הסבר. בהמשך לאותה אנלוגיה, צופה חיצוני הרואה אדם הקם מכיסאו ומתחיל לנוע רואה בעצם שני דברים: ראשית, את היווצרותו של אדם מהלך נוסף (נושא מטען שלילי) ושנית את היווצרותו של כיסא ריק נוסף (נושא מטען חיובי). אירוע זה, בו נוצרים זוגות אלקטרון-חור, נקרא גנרציה. האירוע ההפוך, בו אדם מתיישב על כיסא פנוי (או אלקטרון תופס את מקומו של החור), נקרא התאחות (או רקומבינציה).

הכמות וסוג נושאי המטען החופשיים בחומר תלויה בסוג הזיהום של המוליך למחצה ובשיעור הזיהום בו. מוליך למחצה יכול להכיל נושאי מטען חופשיים מסוג אחד או משני הסוגים גם יחד, בשיעורים דומים או שונים, וכל זאת בהתאם לסוג ולמידת הזיהום שבו. מוליך למחצה, שרוב נושאי המטען החופשיים בו הם אלקטרונים, נקרא חומר מסוג N. מוליך למחצה, שרוב נושאי המטען החופשיים בו הם חורים, נקרא חומר מסוג P.

זרמי סחיפה ופעפוע

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 פעפוע (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 הפעפוע מביאה לאחר זמן מה להשוואת ריכוזים. הבדלים בריכוזים נוצרים בדרך כלל באופן מלאכותי על ידי אילוחים שונים. זרם הפעפוע זניח לחלוטין במתכות, שם ההבדלים בריכוזים זעירים ביחס לכמות נושאי המטען.

אם מופעל מתח, זורם זרם הפעפוע במקביל לתנועה הכללית בכיוון השדה החשמלי (זרם הסחיפה). לאינטראקציה בין שני סוגי הזרמים חשיבות עליונה בצומת ה-PN.

צומת PN

תיאור סכמטי של השלבים עד לשיווי משקל. העיגולים השחורים הם האלקטרונים, הלבנים הם החורים. הריבועים הם הסיגים המיוננים ומטענם.

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, יתבצע פעפוע של אלקטרונים מצד N לצד P ופעפוע של חורים מצד P לצד N, כפי שניתן לראות בשלב השני באיור. בקרבת הצומת, משני צדדיו, מתרחשת התאחות ונשארים רק סיגים מיוננים, כלומר אטומים לא נייטרליים מבחינה חשמלית. בצד P נותרים סיגים נוטלים הטעונים במטען שלילי ואילו בצד N נותרים סיגים תורמים הטעונים במטען חיובי. אזור זה נקרא אזור הדלדול (depletion zone), שכן בגלל תהליכי הגנרציה וההתאחות החוזרים ונשנים, נראה שאין בו נושאי מטען. סיגים טעונים אלו יוצרים שדה חשמלי המנוגד לכיוון תהליך הפעפוע וכעבור זמן מה, שני התהליכים מאזנים אחד את השני ונמצאים בשיווי משקל תרמודינמי, כפי שניתן לראות בשלב השלישי באיור.

למעלה, צומת PN בממתח קדמי. למטה, צומת PN בממתח אחורי.

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 פעפוע) ו"אהבת מולדת" (הגורמת לרצון לחזור לביתו, כלומר השדה החשמלי הנוצר). ראשית, האנשים מנסים למצוא מקום נפרד ומבצעים פעפוע לחדר השני, ובאותו אופן הכיסאות הריקים שגם שונאים את בני מינם, מבצעים פעפוע 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. אנלוגיה 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 חיובי בצד ה-p ושלילי בצד ה-n, ידחוף נושאי מטען כלפי הצומת ויקל על מעבר הזרם, פעולה זו נקראת הפעלת מתח קדמי. אם נפעיל מתח בכיוון המנוגד, נושאי המטען יתקשו עוד יותר לחצות את הצומת (משום שהם נמשכים הרחק ממנו על ידי המתח החשמלי המופעל) ולא יזרום זרם במעגל 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, ובכיוון השני חוסם את הזרם. דרך ההתנהגות זו של הצומת שקולה לרכיב הדיודה, ומאפשרת את בניית הטרנזיסטור.

חשוב להבין שהמתח החיצוני המופעל על הצומת בממתח קדמי רק "עוזר" ליותר נושאי מטען לחצות את הצומת, והזרם הוא הזרם שנוצר רק על ידי פעפוע. ככל שהממתח החיצוני יותר גדול (קדמי), יותר נושאי מטען מצליחים לחצות את הצומת, לכן הפרש הפוטנציאלים יותר גדול ולכן זרם הפעפוע יותר גדול (הזרם דרך הדיודה).

עירורי אנרגיה

לוח סולרי העשוי מצורן

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 יישומים 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.

קירור וחימום

ישנם מוליכים למחצה שיוצרים מפל טמפרטורה כאשר עובר בהם זרם חשמלי. תופעה זו נקראת אפקט פלטייה ויש לה שימושים רבים בתעשייה וברפואה.

ייצור חומרים מוליכים למחצה

חדר נקי

ייצורם של חומרים מוליכים למחצה, בעלי תכונות חשמליות אחידות וצפויות, היא משימה קשה משתי סיבות עיקריות:

• רמת הטוהר הכימית הדרושה בזמן התהליך - נוכחותם של חומרים זרים, גם בכמויות מזעריות, יכולה להשפיע בצורה הרסנית על תכונות החומר. החדרים הנקיים, הנקיים בסדרי גודל מחדרי ניתוח, אינם מספיקים ותהליך הייצור כולל תהליכים נוספים שמטרתם לשמור על טוהר החומר. לדוגמה, בתהליך zone refining מתיכים חלק מהגביש, זיהומים שונים נוטים להתרכז באזור המותך ושאר החומר נותר טהור יותר.
• שלמות הגביש הדרושה - חריגות מהמבנה הגבישי יפגמו באיכות החומר ובביצועיו, בתהליך הייצור מגדלים גבישים גליליים וחותכים אותם לפרוסות. שמירה על שלמות הגביש נהיית מסובכת ככל שמגדילים את קוטר הגליל. כרגע מגדלים גבישים בקוטר של 20 או 30 סנטימטר, כאשר חוזים מעבר ל-45 סנטימטר בעוד מספר שנים.
• תהליך ייצור מודרני של מוליכים למחצה בדיוק גבוה (3nm, נכון ל־2023) הוא תהליך מורכב ויקר וכיום יש רק ארבע חברות בעולם שיש להן מפעלי ייצור עבור רכיבי מוליכים למחצה בחזית הטכנולוגיה. חברות אלו הן: TSMC, Intel, Samsung ו-GlobalFoundries.

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.

ראו גם

• מוליך למחצה מאולח
• מוליך למחצה דו-ממדי
• מוליכים למחצה מחוץ לשיווי משקל

לקריאה נוספת

• אדיר בר לב, מוליכים למחצה, האוניברסיטה הפתוחה - (קריאת הספר בתצוגה מלאה באתר "גוגל ספרים" )

קישורים חיצוניים

• אנימציה פשוטה של זרם במוליך למחצה (באנגלית)
• ספר על מוליכים למחצה (באנגלית)
• מוליך למחצה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• מוליכים למחצה, דף שער בספרייה הלאומית