מכשיר מוליכים למחצה, רכיב מעגל אלקטרוני העשוי מחומר שאינו מוליך טוב ואינו מבודד טוב (מכאן מוליך למחצה). מכשירים כאלה מצאו יישומים רחבים בגלל הקומפקטיות, האמינות והעלות הנמוכה שלהם. כרכיבים נפרדים, הם מצאו שימוש במכשירי כוח, חיישנים אופטיים ופולטות אור, כולל לייזרים במצב מוצק. יש להם מגוון רחב של יכולות טיפול בזרם ומתח, עם דירוגי זרם מכמה ננו מפונקים (10 −9אמפר) ליותר מ- 5,000 אמפר ודירוג מתח המשתרע מעל 100,000 וולט. חשוב מכך, מכשירי מוליכים למחצה משווים עצמם להשתלבות במעגלים מיקרואלקטרוניים מורכבים אך ניתנים לייצור. הם מהווים, ובעתיד הנראה לעין, מרכיבי המפתח עבור רוב המערכות האלקטרוניות, כולל ציוד תקשורת, צרכנים, עיבוד נתונים וציוד לבקרה תעשייתית.
עקרונות מוליכים למחצה וצומת
חומרים מוליכים למחצה
חומרים במצב מוצק מקובצים בדרך כלל לשלוש כיתות: מבודדים, מוליכים למחצה ומוליכים. (בטמפרטורות נמוכות מסוימים מוליכים, מוליכים למחצה ומבודדים עשויים להפוך למוליכי-על.) איור 1 מראה את המוליכות σ (ואת ההתנגדות המתאימה ρ = 1 / σ) הקשורים לחומרים חשובים בכל אחד משלושת המעמדות. מבודדים, כגון קוורץ וזכוכית התמזגו, בעלי מוליכות נמוכה מאוד, בסדר גודל של 10 −18 עד 10 −10 סימנים לסנטימטר; ומוליכים, כמו אלומיניום, בעלי מוליכות גבוהה, בדרך כלל 10 4 עד 10 6 סימנס לסנטימטר. המוליכות של מוליכים למחצה נמצאת בין הקצוות הללו.
המוליכות של מוליך למחצה היא בדרך כלל רגישה לטמפרטורה, תאורה, שדות מגנטיים וכמויות דקות של אטומי טומאה. לדוגמה, תוספת של פחות מ- 0.01 אחוזים מסוג מסוים של טומאה יכולה להגדיל את המוליכות החשמלית של מוליך למחצה בארבעה סדרי גודל או יותר (כלומר 10,000 פעמים). הטווחים של מוליכות מוליכים למחצה בגלל אטומי טומאה בחמישה מוליכים למחצה מציגים באיור 1.
המחקר של חומרים מוליכים למחצה החל בראשית המאה ה -19. במהלך השנים נחקרו מוליכים למחצה רבים. הטבלה מציגה חלק מהטבלה המחזורית הקשורה למוליכים למחצה. מוליכי המוליכים למחצה הם אלה המורכבים ממינים אטומים בודדים, כמו סיליקון (Si), גרמניום (Ge), ופח אפור (Sn) בעמודה IV וסלניום (Se) וטוריום (Te) בעמודה VI. עם זאת ישנם מספר מוליכים למחצה מורכבים המורכבים משני אלמנטים או יותר. גליניום ארסניד (GaAs), למשל, הוא תרכובת בינארית III-V, שהיא שילוב של גליום (Ga) מעמודה III וארסן (As) מעמודה V.
חלק הטבלה המחזורית של אלמנטים הקשורים למוליכים למחצה
| פרק זמן | טור | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| ב | III | IV | V | VI | |
| 2 | בורון
ב |
פחמן
C |
חנקן
N |
||
| 3 | מגנזיום
מג |
אלומיניום
אל |
סיליקון
Si |
זרחן
P |
גופרית
S |
| 4 | אבץ
Zn |
גליום
גא |
גרמניום
Ge |
ארסן
כמו |
סלניום
Se |
| 5 | קדמיום
Cd |
אינדיום
ב |
פח
סנ |
אנטימון
ס.ב. |
tellurium
Te |
| 6 | כספית
Hg |
להוביל
Pb |
|||
תרכובות טרנסיות יכולות להיווצר על ידי אלמנטים משלושה עמודים שונים, כמו למשל אינדיום טאלוריד כספית (HgIn 2 Te 4), תרכובת II-III-VI. הם יכולים גם להיווצר על ידי אלמנטים משני עמודים, כמו למשל ארסניד גליום אלומיניום (Al x Ga 1 - x As), שהוא תרכובת III-V טרנרית, כאשר גם אל וגם Ga הם מעמודה III והתסריט x קשור להרכב שני האלמנטים מ- 100 אחוז Al (x = 1) ל- 100 אחוז Ga (x = 0). סיליקון טהור הוא החומר החשוב ביותר ליישום מעגלים משולבים, ותרכובות בינאריות וטרינריות III-V הינן המשמעותיות ביותר לפליטת אור.
לפני המצאת הטרנזיסטור הדו קוטבי בשנת 1947, מוליכים למחצה שימשו רק כמכשירים דו-מסופיים, כמו מיישרים ופוטודיודים. במהלך תחילת שנות החמישים, גרמניום היה החומר העיקרי למוליכים למחצה. עם זאת, הדבר הוכיח את עצמו לא מתאים ליישומים רבים, מכיוון שמכשירים העשויים מהחומר הציגו זרמי דליפה גבוהים בטמפרטורות גבוהות יחסית. מאז תחילת שנות ה -60 הפך הסיליקון לתחליף מעשי, והחליף כמעט את הגרמניום כחומר לייצור מוליכים למחצה. הסיבות העיקריות לכך הן כפולות: (1) מכשירי סיליקון מציגים זרמי דליפה נמוכים בהרבה, ו- (2) קל לייצר סיליקון דו חמצני באיכות גבוהה (SiO 2), שהוא מבודד. טכנולוגיית הסיליקון היא כיום ללא ספק המתקדמת ביותר מבין כל טכנולוגיות המוליכים למחצה, ומכשירים מבוססי סיליקון מהווים יותר מ- 95 אחוז מכל חומרת המוליכים למחצה הנמכרים ברחבי העולם.
לרבים מהמוליכים למחצה המורכבים יש תכונות חשמליות ואופטיות אשר נעדרות בסיליקון. מוליכים למחצה אלה, בעיקר גליניום ארסניד, משמשים בעיקר ליישומים מהירים ואופטואלקטריים.
