- מהו מוליך למחצה?
- יישומי מוליכים למחצה
- סוגי מוליכים למחצה
- דוגמאות לחומרים מוליכים למחצה
- חומרים מוליכים
- חומרי בידוד
אנו מסבירים מהו מוליך למחצה חשמלי, סוגיו, היישומים והדוגמאות שלו. בנוסף, חומרים מוליכים ומבודדים.
מהו מוליך למחצה?
מוליכים למחצה הם חומרים המסוגלים לפעול כמוליכים חשמליים או כמבודדים חשמליים, בהתאם לתנאים הפיזיים שבהם הם נמצאים. תנאים אלה כרוכים בדרך כלל טֶמפֶּרָטוּרָה וה לַחַץ, שכיחות הקרינה או עוצמות ה שדה חשמלי אוֹ שדה מגנטי שאליו נתון החומר.
מוליכים למחצה מורכבים יסודות כימיים מגוונים מאוד בינם לבין עצמם, שלמעשה מגיעים מאזורים אחרים מלבד טבלה מחזורית, אבל הם חולקים תכונות כימיות מסוימות (בדרך כלל הם ארבע-ערכיים), המעניקים להם את התכונות החשמליות המיוחדות שלהם. נכון לעכשיו, המוליך למחצה הנפוץ ביותר הוא סיליקון (Si), במיוחד בתעשייה מכשירי חשמל ושל ה מחשוב.
יחד עם חומרים מבודדים, מוליכים למחצה התגלו בשנת 1727 על ידי הפיזיקאי וחוקר הטבע האנגלי סטיבן גריי (1666-1736), אך החוקים המתארים את התנהגותם ותכונותיהם תוארו הרבה מאוחר יותר, ב-1821, על ידי הפיזיקאי הגרמני המפורסם גאורג סיימון. (1789-1854).
יישומי מוליכים למחצה
מוליכים למחצה שימושיים במיוחד בתעשיית האלקטרוניקה, מכיוון שהם מאפשרים הנעה ומווסת זרם חשמלי לפי הדפוסים הדרושים. מסיבה זו, נהוג שהם רגילים ל:
- טרנזיסטורים
- מעגלים משולבים
- דיודות חשמליות
- חיישנים אופטיים
- לייזרים במצב מוצק
- מאפננים כונן חשמלי (כמו מגבר גיטרה חשמלי)
סוגי מוליכים למחצה
מוליכים למחצה יכולים להיות משני סוגים שונים, בהתאם לתגובתם לסביבה הפיזית שבה הם נמצאים:
מוליכים למחצה מהותיים
הם מורכבים מסוג אחד של אטומים, מאורגן ב מולקולות טטרהדרלית (כלומר, ארבעה אטומים בעלי ערכיות של 4) והאטומים שלהם מחוברים על ידי קשרים קוולנטיים.
תצורה כימית זו מונעת תְנוּעָה חופשי מ אלקטרונים מסביב למולקולה, למעט עלייה בטמפרטורה: אז האלקטרונים לוקחים חלק מה- אֵנֶרְגִיָה זמין ו"קפוץ", ומשאיר מקום פנוי שמתורגם כמטען חיובי, שבתורו ימשוך אלקטרונים חדשים. תהליך זה נקרא רקומבינציה, והכמות של חוֹם הנדרש לכך תלוי ביסוד הכימי המדובר.
מוליכים למחצה חיצוניים
חומרים אלה מאפשרים תהליך סימום, כלומר, הם מאפשרים לכלול סוג כלשהו של זיהומים בתצורה האטומית שלהם. בהתאם לזיהומים אלה, שיכולים להיות מחומש או תלת-ערכי, חומרים מוליכים למחצה מחולקים לשניים:
- מוליכים למחצה חיצוניים מסוג N (תורמים). בסוגים אלה של חומרים, האלקטרונים עולים במספר החורים או נושאי המטען החופשי ("רווחים" של מטען חיובי). כאשר הפרש פוטנציאל מוחל על החומר, האלקטרונים החופשיים נעים משמאל לחומר והחורים לאחר מכן ימינה. כאשר החורים מגיעים לימין הקיצוני, אלקטרונים מהמעגל החיצוני נכנסים אל המוליך למחצה, והעברת זרם חשמלי מתרחשת.
- מוליכים למחצה חיצוניים מסוג P (מקבלים). בחומרים אלו הטומאה הנוספת, במקום להגדיל את האלקטרונים הזמינים, מגדילה את החורים.לפיכך, אנו מדברים על תוספת של חומר מקבל, שכן יש ביקוש גדול יותר לאלקטרונים מאשר לזמינות וכל "חלל" פנוי שאליו צריך ללכת אלקטרון משמש כדי להקל על מעבר הזרם.
דוגמאות לחומרים מוליכים למחצה
המוליכים למחצה הנפוצים והמשומשים ביותר ב- תַעֲשִׂיָה הם:
- סיליקון (Si)
- גרמניום (Ge), לעתים קרובות ב סגסוגות סִילִיקוֹן
- גליום ארסניד (GaAs)
- גוֹפרִית
- חַמצָן
- קדמיום
- סֵלֶנִיוּם
- הוֹדִי
- חומרים כימיים אחרים הנובעים משילוב של יסודות מקבוצות 12 ו-13 בטבלה המחזורית, עם יסודות מקבוצות 16 ו-15 בהתאמה.
חומרים מוליכים
שלא כמו מוליכים למחצה, שתכונות ההולכה החשמלית שלהם משתנות, חומרים מוליכים תמיד מוכנים להעביר את חַשְׁמַל, בשל התצורה האלקטרונית של האטומים שלו. מוליכות זו יכולה להשתנות ולהיות מושפעת במידה מסוימת מהמצב הפיזי של הסביבה מאז מוליכות חשמלית זה לא מוחלט.
דוגמאות לחומרים מוליכים הם הרוב המכריע של מתכות (ברזל, כספית, נְחוֹשֶׁת, אלומיניום וכו') וה מים.
חומרי בידוד
לבסוף, חומרי בידוד הם אלו המתנגדים להולכת חשמל, כלומר מונעים מעבר של אלקטרונים והם מועילים, אם כן, כדי להגן על עצמם מפני חשמל, כדי למנוע ממנו לנהל קורס חופשי או מקצר חשמלי. מבודדים גם אינם מבודדים ביעילות במאה אחוז, יש להם גבול (מתח התפרקות) שמעליו האנרגיה כל כך אינטנסיבית שהם לא יכולים לשמור על מצבם כמבודדים ולכן, מעבירים זרם חשמלי, לפחות במידה מסוימת.
דוגמאות לחומרי בידוד הם פלסטי, קרמיקה, זכוכית, עץ ונייר.