מוליך למחצה

מוליך למחצהאנגלית: 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.

Etchedwafer
פרוסת צורן (סיליקון)

החומרים

Si Crystal Electron Shell
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 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.

אילוח וסוגי הולכה

Sielhole
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 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 N type. מוליך למחצה, שרוב נושאי המטען החופשיים בו הם חורים, נקרא חומר P type.

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

PN Junction
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, 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.

PN junction ForRev bias
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 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.

ייצור חומרים מוליכים למחצה

Clean room
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.

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

לקריאה נוספת

קישורים חיצוניים

אילוח (מוליכים למחצה)

אילוח (נקרא גם זיהום או סימום, באנגלית Doping) של מוליך למחצה הוא הוספה של חומר זר בריכוז מזערי למצע כלשהו, לשם הגברת המוליכות החשמלית שלו.

מוליך למחצה נקי מאוד נקרא אינטרינסי (פנימי), ולעומתו מוליך למחצה שתכונותיו החשמליות נובעות מהאילוח נקרא אקסטרינזי (חיצוני). מוליך למחצה "מזוהם" ברמות גבוהות עד כדי כך, שהתנהגותו דומה יותר למוליך מאשר למוליך למחצה, נקרא מנוון.

אילוח אשר מוסיף אלקטרונים חופשיים יוצר מוליך למחצה מסוג n, מהמלה negative (שלילי) באנגלית, כיוון שנוספים מטענים שליליים הנמצאים ברמות אנרגיה גבוהות בחומר, ועל כן הם חופשיים להוליך זרם חשמלי. לעומתו, אילוח מסוג p (מהמלה positive - חיובי) יוצר מצבים ריקים במבנה הסריג המולקולרי, מצבים המכונים "חורים", אליהם נכנסים אלקטרונים מאטומים סמוכים, ובכך מייננים את האטומים.

אילוח קפדני ומבוקר של מוליך למחצה הוא היסוד לתעשיית השבבים והמחשבים, שכן לחומרים נקיים או מזוהמים מאוד אין התכונות הנדרשות ליצירתם.

אלקטרודה

אלקטרודה היא מוליך חשמלי המשמש ליצירת מגע עם תווך לא מתכתי של מעגל חשמלי (כגון מוליך למחצה, אלקטרוליט או ואקום). את המונח טבע המדען מייקל פאראדיי מצירוף המילה אלקטרון עם המילה היוונית "הודוס" שמשמעה "דרך". על מנת שהתווך יהווה חלק ממעגל חשמלי עליו להיות במגע עם לפחות שתי אלקטרודות.

האנודה היא האלקטרודה בה מתרחשת תגובת חמצון, והקתודה היא זו שבה מתרחשת תגובת חיזור. בתא גלווני או בסוללה שמספקים חשמל האלקטרודה שהמתח החשמלי שלה שלילי יותר נקראת אנודה, והאלקטרודה החיובית נקראת קתודה. כשמחברים את שתי האלקטרודות בעזרת תיל מתכת, האלקטרונים זורמים מהאנודה לקתודה. בתא אלקטרוליטי שדרכו מזרימים זרם חשמלי על מנת לבצע אלקטרוליזה הקתודה היא האלקטרודה החיובית ואילו האנודה היא האלקטרודה השלילית. באופן דומה ברכיבים אלקטרוניים כמו דיודה נהוג לסמן את האנודה ב"מינוס" ("-") ואת הקתודה ב"פלוס" ("+").[1]

אם התווך מכיל חלקיקים טעונים חשמלית והמתח החשמלי בין האלקטרודות גבוה דיו על מנת להניעם, יזרמו חלקיקים בעלי מטען חשמלי שלילי (אלקטרונים או אניונים) מן התווך אל האנודה, בעוד חלקיקים בעלי מטען חשמלי חיובי (קטיונים) יזרמו מן התווך אל הקתודה.

בתאים אלקטרוכימיים אפשר שתגרם תגובת חיזור של החומר ממנו עשויה האנודה, ותגובת חמצון של החומר ממנו עשויה הקתודה. כדי למנוע זאת מצפים את חוט הכסף שממנו האלקטרודה עשויה בכסף כלורי המחליף יונים עם התמיסה שממנה נרשם האות החשמלי.

אנרגיית פרמי

בפיזיקה של חומר מעובה, אנרגיית פרמי (מסומנת לרוב כ- או ) היא האנרגיה של רמת האנרגיה המאוכלסת הגבוהה ביותר במערכת פרמיונים בטמפרטורת האפס המוחלט. זוהי גם האנרגיה הנדרשת להוספת חלקיק למערכת, כלומר הפוטנציאל הכימי של המערכת, בטמפרטורת אפס קלווין. בטמפרטורה גבוהה מאפס הפוטנציאל הכימי שונה מאנרגיית פרמי. אנרגיית פרמי קרויה על שמו של אנריקו פרמי.

לאנרגיה זו חשיבות רבה בפיזיקה, שכן רמת פרמי של מוצק קובעת את המוליכות החשמלית שלו: בגביש, מבנה הפסים מתאר את רמות האנרגיה כפסים שבהם יש רצף של רמות (פסי הולכה), (פסי ערכיות) ופסים ללא רמות (פסים אסורים) לסירוגין. כאשר רמת פרמי של חומר מסוים נמצאת בפס ההולכה, החומר מוליך. כאשר רמת פרמי נמצאת בפס אסור, החומר מבדד או מוליך למחצה, כתלות בגודל פער האנרגיה בין רמת הערכיות שמתחת לרמת פרמי לרמת ההולכה שמעליה.

גביש פוטוני

גביש פוטוני הוא ננו-מבנה הבנוי בצורה מחזורית מחומרים דיאלקטריים, בדרך כלל נבנה בממדים קטנים מאוד, כאשר מבנהו מתוכנן בצורה המשפיעה על התקדמות האור בתוכו, כלומר על מעבר פוטונים דרכו והוא מכשיר אופטי לכל דבר.

דרך פעולתו מקבילה ודומה מאוד לאופן שבו גביש של מוליך למחצה משפיע על אופן התנועה וההולכה של אלקטרונים בתוכו.

גליום ארסניד

גליום ארסניד (נוסחה כימית: GaAs, לעיתים נהגה בעברית כ"גאס") הוא חומר מוליך למחצה מורכב מסדרת III-V, כלומר - חומר המורכב משני יסודות מהטורים השלישי (III) והחמישי (V) בטבלה המחזורית - מגליום ומארסן. חומר זה הוא מוליך למחצה, בדומה לצורן ולגרמניום (השייכים לטור הרביעי).

הגליום ארסניד הוא מוליך למחצה בעל פער אנרגיה ישיר, וזאת בניגוד לצורן ולגרמניום בעלי פער האנרגיה הלא-ישיר. תכונה זו מקנה לגליום ארסניד יתרונות במיוחד בהתקנים אלקטרואופטיים כגון לייזרים, דיודות פולטות אור (LED), תאים סולאריים ועוד. לגאליום ארסניד פער אנרגיה של 1.424 אלקטרון וולט, הגבוה מזה של סיליקון, 1.12 אלקטרון וולט ושל גרמניום, 0.66 אלקטרון וולט. ניתן להנדס את פער האנרגיה של גליום ארסניד באמצעות סגסוג. לדוגמה ניתן להקטין את פער האנרגיה באמצעות סגסוג של אינדיום, ולהגדיל את פער האנרגיה באמצעות סגסוג של אלומיניום.

דיודה

דיודה (אנגלית Diode) היא רכיב אלקטרוני בעל שני חיבורים, שפועל כשסתום חד-כיווני ומאפשר מעבר זרם חשמלי בכיוון אחד בלבד. בתרשימי חשמל, הדיודה מסומנת בצורת חץ, שקודקודו נפגש עם קו אנכי, בכיוון הזרימה של החשמל. שני הדקי הדיודה קרויים אנודה וקתודה, כאשר כיוון הזרם החשמלי הוא מהאנודה לקתודה.

וילארד בויל

וילארד שטרלינג בויל (באנגלית: Willard Sterling Boyle;‏ 19 באוגוסט 1924 - 7 במאי 2011) היה פיזיקאי קנדי-אמריקאי. בויל זכה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2009 יחד עם עמיתו ג'ורג' סמית' על המצאת מעגל מוליך למחצה לדימוי-חיישן הCCD. בנוסף הוענק לו אות מסדר קנדה. הוא אף היה חלוץ בתחום טכנולוגיית הלייזר.

טלור

טלור (Tellurium) הוא יסוד כימי מסדרת המתכות למחצה, שסמלו הכימי הוא Te ומספרו האטומי 52.

טמפרטורת החדר

טמפרטורת החדר היא מונח לטמפרטורה הנוחה לסביבה אנושית, בדרך כלל טמפרטורה הנעה בין 20 ל-27 מעלות צלזיוס.

טמפרטורה במידה רבה קובעת את מצב המערכות הפיזיקליות שסביבנו (לדוגמה, מים יהיו במצב נוזלי בטמפרטורת החדר) ולכן במדעים רבים חשיבות גדולה לטמפרטורה בה התבצע ניסוי או חישוב מסוים. כאשר נאמר שהניסוי התבצע בטמפרטורת החדר אזי לרוב הכוונה לניסוי שהתבצע בטמפרטורה ב-18°C עד 21°C .

הטמפרטורה מבטאת את רמת התנועה או האנרגיה שיש למערכת. כדי להבין מהי טמפרטורת החדר במונחים של אנרגיה, כלומר מהי אנרגיית החום של הסביבה, יש להכפיל את טמפרטורת החדר בקבוע בולצמן, התוצאה המתקבלת היא כ- 26meV. חשיבתה של טמפ' החדר היא בעיקר בהשוואתה לאנרגיה המתקבלת או הדרושה לתהליך נתון. להלן מספר דוגמאות:

בהשוואה לאנרגיה שיש לאלקטרון הולכה אופייני (אנרגיית פרמי עבור מתכת היא כ-1.5eV) במתכת טמפרטורת החדר נמוכה ממש. עד כדי כך שכדי לחשב בקירוב טוב את התנהגותו אפשר להניח כי המתכת בסביבה בה הטמפרטורה שואפת לאפס המוחלט והאלקטרונים בתוכה מתנהגים כגז אלקטרונים מנוון.

לעומת זאת אנרגיה של אלקטרון הולכה במוליך למחצה (אנרגיית פרמי עבור מוליך למחצה היא כ-30meV) היא מסדר גודל של אנרגיית החום בחדר כך שנקבל מוליך למחצה שבמצב אינטרינזי אינו מוליך היטב אך אנו יכולים להשפיע עליו יחסית בקלות. תכונות אלו מהוות את הבסיס עליו נבנית המיקרואלקטרוניקה.

העובדה שהקשרים ה'חלשים' בביולוגיה (קשרי ואן דר ואלס, קשרים יונים, וכו') גם הם מסדר גודל של אנרגיית החום משמעותה שאלו קשרים הפיכים ואפשר לבנותם ולפרקם במהירות. זוהי התכונה אשר מאפשרת את הדינמיות של החיים.להלן טבלה ובה עוד מספר דוגמאות לסקלת האנרגיה ביחס לאנרגיית החום של הסביבה.

כמו כן ניתן לחשב ערך אופייני של מהירויות בעזרת חוק החלוקה השווה.

טרנזיסטור

טרנזיסטור (באנגלית: Transistor, הלחם בסיסים של Transmitter ו־Resistor) הוא רכיב אלקטרוני הבנוי מחומר מוליך למחצה ומשמש למגוון רחב מאוד של מטרות. הטרנזיסטור משמש כמתג אלקטרוני - מתח בקרה או זרם בקרה שולטים בזרם החשמלי דרך ההתקן. המונח טרנזיסטור הוא שילוב המלים מעביר (טרנס), כלומר מוליך, ומתנגד (רזיסט). הטרנזיסטור הוא רכיב מפתח בכל תעשיית האלקטרוניקה המודרנית. במעגלים סיפרתיים משמש הטרנזיסטור כמתג חשמלי מהיר, כאבן בניין לבניית שערים לוגיים, זיכרון גישה אקראית (RAM) והתקנים אלקטרוניים אחרים. במעגלים אנלוגיים משמשים טרנזיסטורים להגברה, ליצירת תנודות, לייצוב מתח, לאיפנון ולעירבול.

בשנות השישים, טרנזיסטור היה גם השם הנפוץ לרדיו טרנזיסטור, מקלט רדיו זעיר נייד, שהשתמש בטרנזיסטורים (במקום בשפופרות ריק) כרכיבים האלקטרוניים הפעילים. זוהי עדיין אחת מההגדרות המילוניות לטרנזיסטור.

טרנזיסטור MOSFET

טרנזיסטור MOSFET (ראשי תיבות של Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), או טרנזיסטור תוצא שדה, הוא טרנזיסטור בו שדה חשמלי משפיע על התכונות של מוליך למחצה ובכך ניתן לשלוט על הזרם החשמלי הזורם דרכו. בצורה הפשטנית ביותר ניתן לראות טרנזיסטור כמתג. ליבו של טרנזיסטור MOSFET הוא קבל MOS, אשר באמצעותו מושרה השדה החשמלי על המוליך למחצה ובכך נפתח או נסגר המתג.

טרנזיסטור ביפולרי

טרנזיסטור ביפולרי או טרנזיסטור דו נושאי (באנגלית: Bipolar junction transistor, בראשי תיבות: BJT) הוא טרנזיסטור העושה שימוש הן בזרם של אלקטרונים והן בזרם של חורים. הטרנזיסטור הביפולרי הוא רכיב אלקטרוני בעל שלושה הדקים העשוי מוליך למחצה מאולח ויכול לשמש כמגבר או כמתג.

לאו אסאקי

זהו שם יפני; שם המשפחה הוא אסאקי. לאו אסאקי (ביפנית:江崎 玲於奈;‏ נולד ב-12 במרץ 1925) הוא פיזיקאי יפני שזכה בפרס נובל לפיזיקה ב-1973 ביחד עם איוואר גיאוור ובריאן ג'וזפסון ב-1973, על תגליותיו הניסיוניות בתופעות המינהור הקוונטי. הוא ידוע בשל המצאתו את דיודת המינהור, הפועלת על עקרון המינהור הקוונטי. אסאקי עבד על המחקר שלו בחברת "טוקיו צושין קוגיו," שלימים הפכה חברת סוני. בעת עבודתו ב-IBM היה בין החלוצים בשימוש בסריג על מוליך למחצה.

לייזר כחול

לייזר כחול הוא לייזר הפולט קרינה אלקטרומגנטית באורך גל שבין 360 ל-480 ננומטר, אשר העין האנושית רואה ככחול או כסגול.

קרניים כחולות מיוצרות על ידי לייזרים של גז כמו הליום-קדמיום (441.6 ננומטר) וכן ארגון (458 וב-488 ננומטר).

לייזרים מוליכים למחצה עם קרניים כחולות מבוססים בדרך-כלל על גליום III ניטריד (GaN בצבע סגול) או אינדיום גליום ניטריד (לעיתים קרובות בצבע כחול אולם יכול להופיע גם בצבעים אחרים).

בנוסף, ניתן ליצור לייזר כחול ולייזר סגול באמצעות הכפלת תדר של לייזר אינפרא אדום מלייזר מוליך-למחצה ומלייזר מוליך-למחצה במצב מוצק (DPSS, ראשי תיבות של Diode Pumped Solid State).

לייזרים מולכים למחצה אשר פולטים אורכי גל של 445 ננומטר שכיחים כיום כלייזרים ניידים (לייזר כיס). לייזרים אשר פולטים אורכי גל הקצרים מ-445 ננומטר מופיעים בצבע סגול (אך לפעמים נקראים לייזרים כחולים).

הלייזרים הכחולים הנפוצים ביותר הם הלייזרים המשמשים בנגני Blu-ray אשר פולטים באורך גל של 405 ננומטר (אור סגול), שאורך הגל קצר מספיק כדי לגרום לפלואורסצנציה בכמה חומרים אשר יוצרים באותו האופן אור נראה על ידי אור אולטרה סגול. אורך גל הקצר מ-400 ננומטר מסווג כאור אולטרה סגול.

עיקר השימוש בלייזר כחול הוא לרפואה.

מוליך למחצה מאולח

מוליכים למחצה מאולחים או מוליכים למחצה אקסטרינזים (באנגלית: Doped Semiconductors) הם מוליכים למחצה הנזרעים באטומים זרים בכוונה תחילה כאשר האטומים המאלחים מסוגלים לספק לחומר תוספת אלקטרונים או חורים. הזרעה זו יוצרת עודף של נושאי מטען שלילי או חיובי בחומר.

ללא אילוח, התכונות החשמליות של מוליך למחצה טהור אינן שימושיות לרוב. האילוח גורם לשינוי התכונות הפיזיקליות של החומר, כך שהוא למשל יהפוך לחומר מוליך במתח חשמלי מסוים או בטמפרטורה מסוימת, אך מבודד בתנאים אחרים, או שיהיה בולע אור באורכי-גל מסוימים.

הצמדה של מוליכים למחצה מאולחים מסוגים שונים (p,n חיובי ושלילי, ראו בהמשך) יכולים ליצור דיודה, או טרנזיסטור, או התקנים אלקטרוניים חיוניים אחרים.

ממריסטור

מֶמריסטוֹר (מאנגלית: memristor, הלחם המילים "memory resistor" – "נַגָּד זיכרון") הוא רכיב חשמלי פסיבי שהתנגדותו תלויה בכמות הזרם שעבר בו לפני כן. לעומת הרכיבים נגד, קבל וסליל, שמימושים קרובים לאידיאליים שלהם קיימים ונמצאים בשימוש נרחב בטכנולוגיה מזה עשרות שנים, המימוש המעשי של ממריסטור נדיר ועד 2008 הוא נחשב תאורטי גרידא. הממריסטור הוא מוליך למחצה. ממריסטור עשוי מחומר כלשהו העטוף בשתי פיסות של מתכת כלשהי.

תכונותיו התאורטיות של ממריסטור כוללות התנגדות התלויה בהיסטוריה של המתח והזרם בין הדקיו. לתכונה זו עשוי להיות שימוש בייצור התקני זיכרון דלי הספק, ולכן מתקיים מחקר תאורטי ויישומי נרחב במטרה לייצר ממריסטורים בטכנולוגית VLSI. מנגד, קיימת טענה כי ממריסטור אידיאלי סותר עקרונות יסוד בתרמודינמיקה בתנאי חוסר שיווי משקל.

פיזיקה של מצב מוצק

פיזיקה של מצב מוצק (על פי האקדמיה ללשון העברית, שם הענף הפיזיקלי הוא פִיזִיקַת הַמַּצָּב הַמְּעֻבֶּה, או פִיזִיקַת הַמַּצָּב הַמּוּצָקִי) עוסקת בהתנהגות חומר במצב צבירה מוצק ובחישוב התכונות הפיזיקליות של מוצקים שונים, כגון: גבישים, מתכת ועוד. בגביש גרעיני האטומים מסודרים בצורה מחזורית ובאריזות אופייניות, ואילו האלקטרונים נעים בגביש באופן חופשי יחסית. כיום פיזיקת המצב המוצק נחשבת לתת-תחום של פיזיקה של חומר מעובה, שעוסקת גם בנוזלים, ג'לים וסוגי חומרים נוספים.

מכיוון שהתבנית הבסיסית של הגביש, הקרויה תא יחידה או אזור ברילואן הראשון (על שם לאון ברילואן) חוזרת על עצמה, נוצרת מחזוריות, ולכן נוח לבצע חישובים במרחב התנע במקום במרחב המקום. במרחב התנע מתקבלת גם כן מחזוריות. ההנחה העומדת בבסיס התאוריה של פיזיקת המצב המוצק היא שהאלקטרונים מושפעים על ידי כוחות המשיכה (פוטנציאלים) של כל האטומים בסריג המחזורי, ולכן פונקציית הגל שלהם אינה ממוקמת עוד במרחב כי אם פרושה על פני הסריג כולו. עקרון האיסור של פאולי מכריח את האלקטרונים לאכלס רמות אנרגיה שונות, כמספר האלקטרונים החופשיים בחומר. מיקומה של רמת האנרגיה המלאה האחרונה (רמת פרמי) יקבע את עיקר תכונותיו של החומר - מוליך, מבודד, מוליך למחצה, מתכות למחצה וכן הלאה.

שלוש התאוריות העיקריות לתיאור פונקציות הגל הקוונטיות של האלקטרונים בחומר הן:

א. גז פרמי - הדחייה והמשיכה בין האלקטרונים וגרעיני האטומים מבטלים זה את זה ולכן האלקטרונים חופשיים לגמרי ללא אינטראקציות.

ב. אלקטרונים כמעט חופשיים - המשיכה של האלקטרונים לאטומים קטנה יחסית לאנרגיה הקינטית שלהם, ולכן ניתן לטפל בה על ידי תורת ההפרעות.

ג. מודל הקשר הצמוד - האלקטרונים קשורים לאטום כמו בחלקיק בודד בלי סריג, ונמשכים במשיכה חלשה גם לגרעיני האטומים השכנים.

בשני המודלים האחרונים נוצר פער במרחב האנרגיה, כך שישנם ערכי אנרגיה אותם האלקטרונים לא יכולים לקבל. מערכת שאנרגיית פרמי שלה תימצא בתוך הפער תתנהג בהכרח כמו מבודד (המוליכות יורדת עם הורדת הטמפרטורה).

פיזיקת המצב המוצק מנסה למדל מערכת עם מספר רב של חלקיקים, אך עם רמת סדר גבוהה, בניגוד לתחומי פיזיקה אחרים בהם מספר החלקיקים ניתן לספירה (כמו פיזיקת חלקיקים, פיזיקה גרעינית, פיזיקה אטומית ועוד). עם זאת, רוב התופעות הנחקרות בפיזיקת המצב המוצק נובעות דווקא מהנקודות החריגות במבנה המחזורי (המכונות זיהומים).

לגבישים יש תכונות מגנטיות, אופטיות, חשמליות ומכניות אשר ניתן לנצל לשימושים הנדסיים.

פער אסור

בפיזיקה של מצב מוצק, פער אסור, המכונה גם פער אנרגיה הוא טווח של אנרגיות במוצק בו לא יכולים להימצא אלקטרונים. כאשר מתארים את המבנה האלקטרוני של מוצקים, פער האנרגיה מתייחס למרחק האנרגטי בין ראש פס הערכיות לתחתית פס ההולכה.

בתיאור פשטני, פער האנרגיה הוא האנרגיה המינימלית הדרושה לשחרר אלקטרון מהקליפה החיצונית של אטום במוצק, שם הוא קשור אל הגרעין (ונמצא בפס הערכיות) ולהפוך אותו לנושא מטען חופשי ונייד בסריג (פס ההולכה).

לפער האנרגיה חשיבות מכרעת בקביעת התכונות החשמליות והאופטיות של החומר. נהוג להפריד בין מתכת לבין מבודד או מוליך למחצה באופן הבא: אם רמת פרמי של החומר נמצאת בתור פער אסור, אז הוא מוליך למחצה או מבודד. ניתן לומר כי מוליך למחצה הוא למעשה מבודד עם פער אנרגיה קטן יחסית, אם כי אין גודל פער אסור המבדיל חד משמעית בין מוליך למחצה למבודד. מקרה ביניים נוסף הוא מוליך למחצה מנוון (degenerate semiconductor), שהוא מוליך למחצה עם רמת פרמי שנמצאת בתוך פס ההולכה או פס הערכיות בגלל סימום כבד.

קרביד

בכימיה, למושג קרביד (Carbide) שלוש משמעויות שונות:

היון הרב-אטומי C22-, שבו יש קשר קוולנטי משולש בין שני אטומי הפחמן.

היון החד-אטומי C4-, שהוא בסיס חזק בצורה בלתי רגילה. הוא יכול להתאחד עם ארבעה פרוטונים וליצור מתאן, כך:C4- + 4H+ → CH4סגסוגת שמכילה פחמן או מוליך למחצה.

חשמל
מושגי יסוד מטעןשדה חשמליאנרגיה פוטנציאלית חשמליתפוטנציאלמתחכא"מזרםהתנגדות ומוליכותחוק אוהםעכבההספקהשראותזרם ישרזרם חילופיןמעגל חשמליתהודהעכבה אופיינית Singingteslacoil
רכיבים בסיסים מקור מתחמקור זרםנגדקבלמשרןממריסטורשנאימתגמבדד
מכשירי מדידה מד מתחמד זרםמד התנגדותאלקטרוסקופגלוונומטרמד קיבולמד השראותרב מודדאוסצילוסקופמחולל אותות
אלקטרוניקה מוליך למחצה • דיודהטרנזיסטורמיתוגשפופרת ריקטריודהLEDמגבר שרתמסנן תדריםמעגל משולבמעגל מודפסVLSIמיקרואלקטרוניקה
זרם חזק גנרטור חשמלימנוע חשמליתחנת כוחמתקן חשמל דירתי • מערכת חלוקה • רשת חשמלמערכת תלת-פאזית
בטיחות בחשמל התחשמלותלוח חשמלקצר חשמלינתיךהארקהממסר פחתמפסק אוטומטי

דף זה בשפות אחרות

This page is based on a Wikipedia article written by authors (here).
Text is available under the CC BY-SA 3.0 license; additional terms may apply.
Images, videos and audio are available under their respective licenses.