פרק 3 המבנה האלקטרוני של מוצקים ומיקרואלקטרוניקה

רותי שטנגררותי שטנגר

מהו מוליך למחצה )מל"מ(?

מדוע חומרים מסויימים הם מוליכים, ואחרים מבדדים או מוליכים למחצה?

כיצד ניתן להשפיע על תכונת ההולכה החשמלית?

כיצד פועל התקן מל"מ פשוט כמו הדיודה?

מוליכים:חומרים המסוגלים להעביר זרם חשמלי. לחומרים אלה חלקיקים נושאי

מטען ניידים )אלקטרונים, יונים וכו'(. לדוגמה: מתכות, תמיסות של חומרים יוניים קלי תמס ומלחים מותכים.

מבדדים:חומרים שלהם כמות זניחה של חלקיקים נושאי מטען ניידים. לדוגמה:

קוורץ, חומרים מולקולריים, חומרים פלסטיים ומלחים מוצקים.

מוליכים למחצה:חומרים שהולכת החשמל שלהם היא בין זו של מוליכים לבין זו של מבדדים.

. Ge, GaAs,GaP ,InP, גרמניום Siלדוגמה: סיליקון

... שביניהם, ומה מבדדים ...מוליכים שביניהם, ומה מבדדים מוליכים

ככל שגדל מספר האטומים, ההפרש באנרגיה בין האורביטלים הנוצרים קטן. במקרה של מוצק שבו מספר עצום של אטומים המשתפים

אלקטרונים, כבר לא ניתן להתייחס לאורביטלים בודדים ונוהגים להתייחס רמות האנרגיה המתאימות לחבורה יוצרות פס לחבורות של אורביטלים.

. (Energy Band)אנרגיה רציף

היווצרות פס אנרגיה במוצקהיווצרות פס אנרגיה במוצק

היווצרות פסים מותרים ואסוריםהיווצרות פסים מותרים ואסורים

כל אורביטל אטומי באטום הבודד יחבור לאורביטלים בעלי

אנרגיה דומה מהאטומים השכנים ליצירת פס אנרגיה מתאים.

, פס אחר הנוצר s1נקבל פס הנוצר מחבורת אורביטלי

וכן הלאה. 2p, פס הנוצר מחבורת 2sמחבורת אורביטלי

מכיוון שלכל פס אנרגיה רוחב סופי, עשויים להתקבל מרווחים

בין פסי האנרגיה הנוצרים מאורביטלים אטומיים מסוגים

(. מרווח בין פסי 2s ופס 1sשונים )לדוגמה, רווח בין פס

. פער אנרגיה אסורהאנרגיה נקרא

כשקיים פער אנרגיה קטן בין רמות האנרגיה של אורביטלים

באטומים הבודדים )למשל ( הפסים 2p ו-2sאורביטלי

המתקבלים מחבורות האורביטלים השונים )למשל

( חופפים, 2s וחבורת 2pחבורת כך שלמעשה מתקבל פס

אנרגיה רציף אחד, ללא פער אסור.

בסריג תלת מימדי, אורביטל אטומי של אטום מסוים משתף אלקטרונים

במידה שונה עם אורביטלים אטומיים של

שכניו השונים בגביש. לכן, פעמים רבות, מתפצלת

חבורת האורביטלים המתקבלת מערבוב

לקבלת pו- s אורביטלי פסים שונים וביניהן פער

אסור.

אכלוס אלקטרונים באורביטליםאכלוס אלקטרונים באורביטלים

מדוע חומרים מסויימים הם מוליכים, ואחרים מבדדים או מוליכים למחצה?רמת האנרגיה הגבוהה ביותר בה מאוכלסים אלקטרוני הערכיות בחומרים מוליכים

)פס הערכיות( ממוקמת באמצע הפס, בצמוד לאורביטלים לא מאוכלסים )פס ההולכה(. האלקטרונים יכולים לעבור לאורביטלים הלא מאוכלסים, כלומר מפס הערכיות לפס ההולכה.

חבורת ערכיות

חבורת הולכה הרמה הגבוהה ביותר במבדדים

בה מאוכלסים אלקטרוני הערכיות ממוקמת בקצה העליון של פס,

וקיים פער אנרגיה אסור גדול בינה לבין

רמות אנרגיה לא מאוכלסות. האלקטרונים אינם יכולים לנדוד

לרמות שאינן מאוכלסות.

פער אנרגיה אסור

חבורת הולכה

פס האנרגיה במוליכים למחצהגם המאוכלס הגבוה ביותר מאוכלס עד תומו,

אך פער האנרגיה האסור בין חבורת ההולכה וחבורת הערכיות קטן יותר מזה

הקיים במבדדים.

על ידי העלאת הטמפרטורה ניתן להעביר אלקטרונים לפס ההולכה. האלקטרונים

מקבלים אנרגיה תרמית ומצליחים לעבור מפס הערכיות לפס ההולכה.

חבורת הולכה

חבורת ערכיות

פס אנרגיה אסור

דוגמאות לפער אנרגיה אסור במוליכים למחצה:

.evבמבדדים פער האנרגיה האסור גבוה יותר, בסדר גודל של מספר

דיאגרמת פסי האנרגיה עבור יהלום )מבדד(

מבדדמוליך למחצהמתכת

תרגול:התאימו את הדיאגרמות הבאות למוליך, מבדד ומוליך למחצה.

)החלקים האפורים מסמלים פסים מלאים באלקטרונים.החלקים הלבנים מסמלים פסים שאינם מאוכלסים באלקטרונים(.

תרגול:

סיליקון )צורן( הוא מוליך למחצה. הסיליקון נמצא בטור הרביעי בטבלה המחזורית. מי מהדיאגרמות הבאות )המתארות את אכלוס האלקטרונים ברמה האחרונה בלבד(

אטומים?Nמתאימה לסריג של סיליקון שבו

אלקטרוני ערכיות.4N אטומי סיליקון Nל- 4N -2 אלקטרונים מאוכלסים בN( 2 אורביטלים .)אלקטרונים בכל אורביטל

מתאימה במקרה זה למוליך למחצה.Cדיאגרמה

N אטומים משתפיםN אלקטרונים,2 אורביטלים. מכיון שבכל אורביטל מאוכלסים N אלקטרונים יאכלסו N/2 -אורביטלים, ו N/2 אורביטלים נותרים ריקים ומאפשרים

נדידת אלקטרונים אליהם.

תרגול:לפניכם תיאור גרפי המתאר סדרת תהליכים.

א. תארו את התהליכים.ב. הסבירו מדוע סריג נתרן מוליך חשמל.

dopingdopingהסממה הסממה

ניתן לשפר את ההולכה של מוליכים למחצה ע"י תהליך הסממה.בתהליך זה מכניסים לסריג אטומים זרים.

לאחר ההסממה יכול המוליך למחצה להוליך גם בטמפרטורת החדר.

סריג סיליקון טהור

. בדרך כלל 4הסיליקון נמצא בטור ההסממה מתבצעת בעזרת יסודות מטור

.5 או מטור 3

iii iv v

5הסממה ע"י יסודות מטור לגביש של צורן. לאטומים (As) או ארסן (P)מוסיפים כמות קטנה של זרחן

אלה חמישה אלקטרוני ערכיות: ארבעה מאלקטרוני הערכיות של האטום המזהם שותפים במבנה פסי האנרגיה בגביש, אך האלקטרון החמישי

מאכלס אורביטל על האטום המזהם. אורביטל זה בעל אנרגיה גבוהה יותר מאורביטלי פס הערכיות המלא של הגביש, והוא נמצא בתוך הפער האסור

של הסריג.

די באנרגיה תרמית נמוכה יחסית, כדי לעורר את האלקטרון לפס ההולכה הריק, בו הוא חופשי לנוע בסריג. נדרשת כמות קטנה של מזהם כדי ליצור תנועה חופשית

של אלקטרונים והולכה חשמלית. מטען האלקטרונים שלילי ומכאן מקור מוליך למחצה שעבר הסממה כזאת נקרא

. )N )Negativeמוליך למחצה מסוג

Nמעבר זרם דרך מל"מ מסוג הצד החיובי של הסוללה מושך אלקטרונים מתוך הגביש.

האלקטרונים עוזבים את המל"מונכנסים לקוטב החיובי של הסוללה, ובמקביל, אלקטרונים

מהקוטב השלילי של הסוללה נכנסיםלמל"מ ובכך סוגרים את המעגל החשמלי. זרימת האלקטרונים

דומה לזרימת אלקטרונים במתכת.Nבמל"מ מסוג

3הסממה ע"י יסודות מטור לגביש של צורן. לאטומים אלה (Al) או אלומיניום (B)מוסיפים כמות קטנה של בור

שלושה אלקטרוני ערכיות, כלומר באחד מהקשרים הקוולטיים חסר אלקטרון. האטום המזהם יכול להשיג אלקטרון זה מקשר קוולטי של אטום סמוך, אך אז יווצר

"חור" במקום ממנו נלקח האלקטרון. האלקטרון מאכלס אורביטל אטומי של האטום המזהם, הנמצא בתוך פער האנרגיה האסור, ומשאיר בפס הערכיות "חור".

נדרשת אנרגיה תרמית נמוכה כדי להעביר אלקטרונים לאורביטלים

האטומיים של אטומי המזהם. נוצרים "חורים" )אורביטלים פנויים לאכלוס

אלקטרון( בפס הערכיות, הנעים בחופשיות ולכן המוליכות החשמלית עולה.

מכיוון שהמוליכות נובעת מתנועה של "חורים" חיוביים, מוליך למחצה שעבר

. )P )Positiveהסממה כזאת נקרא מוליך למחצה מסוג

Pמעבר זרם דרך מל"מ מסוג ההולכה היא ע"י החורים. החורים נעים בתוך המל"מ מהקוטב

החיובי אל הקוטב השלילי. אלקטרונים מהמעגל החיצוני נכנסים למל"מ מהקוטב השלילי וממלאים את החורים בסמוך לקוטב זה.

בקוטב החיובי אלקטרונים נלקחים מן הקשרים הקוולנטיים ויוצרים חורים חדשים. חורים אלה נודדים אל הקוטב השלילי

בתוך המל"מ.

http://www.ody.org/slide/slide_game.htm?Odyssey,seagull_,9,100,100,3,.jpg,1

התבוננו בציורים ובאנימציות הבאות:התבוננו בציורים ובאנימציות הבאות:

http://www.solarhorizon.com.au/Images/Phosphorus%20doping2%20Labelled.png

http://www.rpi.edu/dept/phys/ScIT/InformationProcessing/semicond/sc_content/doping_15.html

http://www.solarhorizon.com.au/Images/Boron%20doping2%20Labelled.png

http://www.rpi.edu/dept/phys/ScIT/InformationProcessing/semicond/sc_content/doping_20.html

מדוע נחוץ תהליך ההסממה?מדוע נחוץ תהליך ההסממה?

ניתן לכוון את המוליכות על ידי שינוי בכמות וסוג המסמם.ניתן לכוון את המוליכות על ידי שינוי בכמות וסוג המסמם.

--NN ומסוג ומסוג PPניתן להכין התקנים על ידי חיבור של מוליכים למחצה מסוג ניתן להכין התקנים על ידי חיבור של מוליכים למחצה מסוג כמו דיודה וטרנזיסטור.כמו דיודה וטרנזיסטור.

דיודת מל"מ היא ההתקן המיקרואלקטרוני הפשוט ביותר המבוסס על מוליך למחצה.

עם Nהיא מתקבלת על ידי חיבור של מוליך למחצה מסוג . צומת. אזור החיבור נקרא Pמוליך למחצה מסוג

דיודה מאפשרת זרימת זרם בכיוון אחד אך לא בשני. כיצד פועלת הדיודה?

כיצד פועלת דיודה?כיצד פועלת דיודה?

משתמשים בדיודות, בין השאר, במכשירים חשמליים רגישים, העלולים להינזק מהכנסת סוללות בצורה הפוכה.

כאשר מחברים את הסוללה ע"פ המצויר, הדיודה אינה מאפשרת מעבר זרם. נמשך להדק השלילי Pהמטען החיובי הנייד )"חורים"(, במוליך למחצה מסוג

של הסוללה, בעוד שהמטען השליליים הניידים )אלקטרונים( במוליך למחצה נמשכים להדק החיובי של הסוללה. Nמסוג

אזור החיבור בין שני המוליכים למחצה מתרוקן ממטענים ניידים, ולא ניתן להעביר זרם דרכו. הצומת מתנהגת כמבדד.

כאשר הופכים את הסוללה, הדיודה מאפשרת מעבר זרם. ההדק השלילי מספק אלקטרונים הנמשכים להדק החיובי דרך הצומת

ומתלכדים עם חורים הנמשכים להדק השלילי. כך נשמרת כמות המטענים הניידים המאפשרת מעבר זרם חשמלי.

לכיוון ההדק Nאלקטרונים יוצאים מן ההדק השלילי של הסוללה ונעים במל"מ לכיוון ההדק Pהחיובי של הסוללה. בצומת הם מתלכדים עם חורים הנעים במל"מ

אל ההדק החיובי של הסוללהPהשלילי של הסוללה. אלקטרונים נמשכים מתוך מל"מ והתהליך נמשך. Pויוצרים חורים חדשים במל"מ

e

e e

e

דיודה פולטת אורדיודה פולטת אור

httphttp://://electronicselectronics..howstuffworkshowstuffworks..comcom//ledled..htmhtm//printableprintableכאשר אלקטרונים חוצים את הצומת בדיודה וממלאים "חורים" משתחררת אנרגיה.

בדיודה רגילה, אנרגיה זו משתחררת בצורת חום. בדיודה פולטת אור האנרגיה משתחררת .בצורת אור

, מאכלסים רמות אלקטרוניות גבוהות בפס ההולכה, ואילו Nהמטענים השליליים באזור ה-, נובעים מאורביטלים ריקים ברמות אנרגיה נמוכות בפס הערכיות. Pה"חורים" באזור ה-

הוא "נופל" מפס P ו- Nכאשר אלקטרון מתלכד עם "חור" בצומת בין מוליך למחצה ההולכה לפס הערכיות תוך שחרור עודף האנרגיה.

כיוון הזרם

P N

http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/PeriodicProperties/MetalBonding/MetalBonding.html

b a

+-

תרגול:לפניכם תיאור סכימטי של דיודה הבנויה מסיליקון שעבר הסממה. .1

.N ואת המל"מ מסוג Pא. סמנו את המל"מ מסוג ב. הציעו יסוד המתאים להסממה בכל אחד מסוגי המל"מ.

.N. הסבירו מדוע לא ניתן ליצור דיודה מצומת בין סיליקון טהור למל"מ מסוג 2