טכנולוגיה המודרנית מבוססת על רכיבים זעירים הנקראים "טרנזיסטורים", התקנים חשמליים קטנטנים, האחראים לכל הפעולות שמחשבים מבצעים. הטרנזיסטורים עשויים מחומרים הנקראים "מוליכים למחצה". בסדרה זו נדון במוליכים למחצה ובטרנזיסטורים, ונסביר מדוע הם חשובים. בפוסט הנוכחי נתמקד בעיקר ברקע בסיסי - חומרים הנמצאים במצב מוצק והתכונות החשמליות שלהם, ונסביר כיצד תכונות אלו קשורות לבניית ההתקנים

מיחשוב הוא חלק בלתי נפרד מחיינו. כל פעולה שמחשב מבצע, למשל הדפסה או יצירת גרפיקה, דורשת חישוב. כשמחשב מציג תמונה, הוא קובע מה צריך להיות הצבע של כל נקודה בעזרת חישובים רבים. החישובים מורכבים ממספר רב של פעולות קטנות יותר הנקראות "פעולות לוגיות". פעולות לוגיות, למשל, חיבור, חיסור או כפל, הן אבני היסוד של המחשב. את הפעולות הלוגיות מבצעים רכיבים קטנטנים (כיום, בגודל של כמה עשרות מיליוניות המילימטר) הנקראים "טרנזיסטורים" [1]. פעולות הטרנזיסטורים מבוססות על העברה וחסימה של זרמים חשמליים: למשל, פעולות כמו חיבור או חיסור הן בעצם הרבה העברות וחסימות של זרמים חשמליים. לכן, לשליטה בזרם חשמלי יש חשיבות רבה במיחשוב המודרני.

כיצד חומרים מוצקים קשורים לנושא?

חומרים מוצקים הם אטומים רבים המחוברים זה לזה בעזרת כוחות חשמליים. התכונות שלהם, בהן מוליכות חשמלית (האופן בו זורם בהם זרם חשמלי), נקבעות על ידי האטומים או המולקולות מהם עשויים החומרים. רוב החומרים המוצקים נמצאים במצב "מסודר" הנקרא "גביש" או "שריג" (קריסטל).

למה הכוונה ב"מסודר"?

למשל, דף משבצות הוא שרטוט מסודר - יש בו מבנה (משבצת) החוזר על עצמו פעמים רבות באופן כמעט מושלם. באותו אופן, אם נקשקש על דף המשבצות נקבל מבנה "לא מסודר", או לפחות פחות מסודר מדף המשבצות. בגביש, המבנה שחוזר על עצמו נקרא "תא יחידה", וכל תא יחידה ייראה בדיוק כמו כל תא יחידה אחר בגביש, בדומה למשבצת בדף. לדוגמה, יהלום מורכב מאטומים של יסוד הפחמן המסודרים בתאי יחידה של שמונה אטומים, החוזרים על עצמם. במקרה של גביש, סדר הוא מחזוריות מושלמת.

סידור אטומים של יהלום

מדוע אכפת לנו מהסדר? 

לסדר יש השפעה אדירה על יכולת החומר להעביר זרמים חשמליים. לרוב, ההולכה החשמלית בחומרים לא מסודרים היא גרועה. כדי להבין זאת, נדמיין את הגביש ככביש, ואת האלקטרונים כמכוניות. מבנה מסודר שקול לכביש ללא פגמים. מה יקרה כשנכניס אי סדר? בהקבלה לכביש, הדבר שקול לפיזור מכשולים אקראיים. אם נפזר מספיק מכשולים (כלומר, נוסיף פגמים לגביש) יווצרו פקקי ענק ולבסוף התנועה תיעצר - האלקטרונים יפסיקו לעבור והגביש יחסום זרם חשמלי. נציין כי זהו הסבר פשטני וההסבר המלא מורכב יותר [2].

בהתאם לתכונות הגביש, האלקטרונים שלו יכולים להיות קשורים בחוזקה לאטום אחד ולהיות במקום אחד, או "להימרח" בין כל האטומים המרכיבים את הגביש. תופעה זו קשורה ישירות לסדר: מכיוון שהגביש מחזורי בצורה כמעט מושלמת, כל נקודה עליו בעצם זהה להמון נקודות אחרות. האלקטרונים אינם מבדילים בין נקודות זהות, ולכן לא ממוקמים בנקודה אחת, אלא ניתן למצוא אותם כמעט בכל נקודה בגביש! ניתן לדמיין את האלקטרונים בגביש כמעין "ענן", המפוזר על פני הגביש. הדבר נשמע מוזר: כיצד אלקטרון מסוגל להימצא בנקודות רבות בו זמנית? כאן נכנסת לתמונה מכניקת הקוונטים, המסבירה לנו שלאלקטרון אין מיקום מוגדר, אלא הסתברות להימצא במספר מקומות בו זמנית, כאשר הסתברות זו נקבעת בין היתר על ידי הסביבה בה הוא נמצא. בדוגמה של דף המשבצות, אם הדף היה אינסופי, לא היה שום הבדל בין משבצת אחת לאחרת. מכיוון שכל הנקודות הללו שקולות זו לזו, ההסתברות למצוא את האלקטרון בכולן זהה (מצב זה שונה מאוד ממה שאנחנו מכירים בחיי היום יום, קחו רגע לחשוב על זה... ). זוהי תוצאה מדהימה בעלת השלכות רבות. ככל שהגביש מסודר ונקי יותר, כך ינוע בו הזרם בחופשיות רבה יותר. לכן, על ידי "לכלוך" הגביש, ניתן לשלוט בתכונות ההולכה שלו. 

סדר לבדו אינו מספיק כדי שחומר יוליך זרם. ישנם גבישים מסודרים שהמוליכות החשמלית שלהם נמוכה. בפוסטים הבאים נסביר יותר לעומק על תכונות הולכת הזרם של חומרים מוצקים, מה משפיע עליהן וכיצד ניתן לשלוט בהן, ונעזר בתוצאות אלו כדי להבין כיצד פועלים טרנזיסטורים, שהם אבני הבניין של המיחשוב.

מקורות וקריאה נוספת:

[1] על מוליכים למחצה 

[2] על גבישים

[3] על סימטריה ואינרציה באתר מדע גדול בקטנה:

[4] Semiconductor Device Fundamentals - Robert F. Pierret

Physics of Semiconductor Devices - Simon M. Sze, Kwok K. Ng