מהו מוליך למחצה פנימי ומוליך למחצה חיצוני - להקת אנרגיה וסמים?

מוליכים למחצה, כפי שהשם מרמז, הוא סוג של חומר אשר מציג תכונות של מוליכים ומבודדים כאחד. חומר מוליך למחצה דורש רמה מסוימת של מתח או חום כדי לשחרר את נושאיו להולכה. מוליכים למחצה אלה מסווגים כ"פנים "ו"חיצוניים" על סמך מספר הנשאים. המוביל הפנימי הוא הצורה הטהורה ביותר של מוליכים למחצה ומספר שווה של אלקטרונים (נושאי מטען שלילי) וחורים (נושאי מטען חיובי). החומרים המוליכים למחצה המשמשים באופן העמוק ביותר הם סיליקון (Si), Germanium (Ge) ו- Gallium Arsenide (GaAs). הבה נלמד את המאפיינים וההתנהגות של סוגים אלה של מוליכים למחצה. מהו מוליך למחצה פנימי? ניתן להגדיר את המוליך למחצה הפנימי כחומר טהור מבחינה כימית מבלי להוסיף לו סימום או טומאה. המוליכים למחצה הפנימיים או הטהורים הידועים ביותר הזמינים הם סיליקון (Si) וגרמניום (Ge). התנהגותו של המוליך למחצה ביישום מתח מסוים תלויה במבנה האטומי שלו. הקליפה החיצונית ביותר של הסיליקון ושל הגרמניום כוללת ארבעה אלקטרונים כל אחד. כדי לייצב אחד את השני האטומים הסמוכים יוצרים קשרים קוולנטיים המבוססים על שיתוף של אלקטרונים ערכיים. חיבור זה במבנה הסריג הקריסטלי של הסיליקון מתואר באיור 1. כאן ניתן לראות כי אלקטרונים הערכיות של שני אטומי Si מתאפסים יחד ליצירת קשר קוולנטי. איור 1. חיבור קוולנטי של אטום הסיליקון בכל הקשרים הקוולנטיים יציבים ואין נשאים זמינים להולכה. כאן המוליך למחצה הפנימי מתנהג כמבודד או לא מוליך. עכשיו אם טמפרטורת הסביבה מתקרבת לטמפרטורת החדר של הקשרים הקוולנטיים מתחילים להישבר. כך משתחררים האלקטרונים ממעטפת הערכיות כדי לקחת חלק בהולכה. ככל שיותר מספר נשאים משתחררים להולכה המוליך למחצה מתחיל להתנהג כחומר מוליך. תרשים פס האנרגיה שניתן להלן מסביר את המעבר הזה של נשאים מרצועת הערכיות לפס ההולכה. דיאגרמת פס האנרגיה תרשים פס האנרגיה המוצג באיור 2 (א) מתאר שתי רמות, להקת הולכה ורצועת Valence. המרווח בין שתי הלהקות נקרא הפער האסור איור 2 (א). תרשים פס פס אנרגיה איור איור 2 (ב). מוליכים למחצה כאשר אלקטרונים מוליכים למחצה כאשר חומר מוליך למחצה נתון לחום או למתח מופעל, מעטים מהקשרים הקוולנטיים נשברים, מה שיוצר אלקטרונים חופשיים כפי שמוצג באיור 2 (ב). האלקטרונים החופשיים האלה מתרגשים וצברים אנרגיה כדי להתגבר על הפער האסור ולהיכנס לרצועת ההולכה מרצועת הערכיות. כשהאלקטרון עוזב את רצועת הערכיות, הוא מותיר אחריו חור ברצועת הערכיות. במוליך למחצה פנימי תמיד ייווצר מספר שווה של אלקטרונים וחורים ומכאן שהוא מפגין נייטרליות חשמלית. הן האלקטרונים והן החורים אחראים על הולכת הזרם במוליך למחצה הפנימי. מהו מוליך למחצה חיצוני? המוליך למחצה החיצוני מוגדר כחומר בעל תוספת טומאה או מוליך למחצה מסומם. סימום הוא תהליך של הוספת זיהומים בכוונה כדי להגדיל את מספר הנשאים. יסודות הטומאה המשמשים מכונים דופנטים. מכיוון שמספר האלקטרונים והחורים גדול יותר במוליך החיצוני הוא מפגין מוליכות גדולה יותר מאשר מוליכים למחצה פנימיים. בהתבסס על השימוש בדופנטים המשמשים את המוליכים למחצה החיצוניים מסווגים עוד כ- "מוליכים למחצה מסוג N" ו- "מוליכים למחצה מסוג P". מוליכים למחצה מסוג N: המוליכים למחצה מסוג N מסוממים בזיהומים פנט-וולנטיים. היסודות החמישים נקראים כך שיש להם 5 אלקטרונים במעטפת הערכיות שלהם. הדוגמאות לטומאה מחומשת הן זרחן (P), ארסן (אס), אנטימון (Sb). כפי שמתואר באיור 3, האטום הדופנט יוצר קשרים קוולנטיים על ידי שיתוף ארבעה מאלקטרונים ערכיים שלו עם ארבעה אטומי סיליקון שכנים. האלקטרון החמישי נשאר קשור באופן רופף לגרעין האטום הדופנט. נדרשת פחות אנרגיית יינון כדי לשחרר את האלקטרון החמישי כך שיעזוב את רצועת הערכיות ונכנס לרצועת ההולכה. הטומאה החמישית מעניקה אלקטרון אחד נוסף למבנה הסריג ולכן היא נקראת בשם טומאת התורם.איור 3. מוליך למחצה מסוג N עם זיהום תורם מוליכים למחצה מסוג P: מוליכים למחצה מסוג P מסוממים עם המוליך למחצה הטריוולנטי. לזיהומים הטריוולנטיים יש 3 אלקטרונים בקליפת הערכיות שלהם. הדוגמאות לזיהומים טריוולנטיים כוללות בורון (B), גליום (G), אינדיום (אין), אלומיניום (אל). כפי שמתואר באיור 4, האטום הדופנט יוצר קשרים קוולנטיים עם שלושה אטומי סיליקון שכנים בלבד ונוצר חור או מקום פנוי בקשר עם אטום הסיליקון הרביעי. החור פועל כמוביל חיובי או כמרחב לתפיסת האלקטרון. לפיכך הטומאה הטריוולנטית העניקה מקום פנוי או חור חיובי שיכול לקבל בקלות אלקטרונים ומכאן שהיא נקראת טומאת קבלה.  איור 4. מוליך למחצה מסוג P עם טומאת הקבלה ריכוז מנשא במוליך למחצה פנימי ריכוז המוביל הפנימי מוגדר כמספר האלקטרונים ליחידת נפח בפס ההולכה או מספר החורים ליחידת נפח ברצועת הערכיות. בשל המתח המופעל, האלקטרון עוזב את רצועת הערכיות ויוצר חור חיובי במקומו. אלקטרון זה נכנס עוד יותר לרצועת ההולכה ולוקח חלק בהולכת הזרם. במוליך למחצה פנימי, האלקטרונים הנוצרים ברצועת ההולכה שווים למספר החורים ברצועת הערכיות. לכן ריכוז האלקטרונים (n) שווה לריכוז החורים (p) בריכוז מוליך למחצה פנימי. ניתן לתת ריכוז נשא מהותי כ: n_i = n = p היכן, n_i: ריכוז המוביל הפנימי n: ריכוז המוביל האלקטרונים p: חור -ריכוז מנשא מוליכות של מוליך למחצה פנימי כאשר המוליך למחצה הפנימי נתון לחום או למתח מופעל האלקטרונים עוברים מרצועת הערכיות להרכב ההולכה ומשאירים חור חיובי או פנוי ברצועת הערכיות. שוב החורים האלה מתמלאים על ידי אלקטרונים אחרים כאשר הקשרים הקוולנטיים יותר נשברים. כך האלקטרונים והחורים נעים בכיוון ההפוך והמוליך למחצה הפנימי מתחיל להתנהל. המוליכות עולה כאשר מספר קשרים קוולנטיים נשברים ובכך אלקטרונים רבים יותר משחררים חורים להולכה. המוליכות של מוליך למחצה פנימי מתבטאת במונחי ניידות וריכוז נושאי המטען. הביטוי למוליכות של מוליך למחצה פנימי מתבטא: σ_i = n_i e (μ_e+μ_h) היכן σ_i: מוליכות של מהות פנימי מוליכים למחצה n_i: ריכוז נשא מהותי μ_e: ניידות של אלקטרונים μ_h: ניידות של חורים אנא עיין בקישור זה למידע נוסף על תורת מוליכים למחצה MCQ

השאר הודעה 

רשימת הודעות