פעולות חישוב במחשבים מודרניים מבוססות על העברת זרמים בהתקנים חשמליים. יצירת הזרם תלויה במבנה החומר, ובפרט, באלקטרונים שבו. במוליכים למחצה, ניתן לייצר זרמים של אלקטרונים או של "חורים", שהם מחסור באלקטרונים. לתכונות הזרם יש השפעה גדולה על תכונות הרכיב החשמלי.

בפוסטים הקודמים הסברנו שכדי שניתן יהיה לייצר זרם חשמלי בגבישים, לאלקטרונים שלהם צריכים להיות מצבים שהם יכולים לעבור ביניהם. הסברנו כי מתח חיצוני יכול להזיז אלקטרונים בין מצבים וכך לייצר זרם. אולם, ישנה אפשרות נוספת ומעניינת ליצור זרם: חורים. 

כדי לדמיין מהו זרם של חורים, אפשר לדמיין שרשרת חרוזים. אם השרשרת מלאה לחלוטין, החרוזים לא יוכלו לזוז. לעומת זאת, אם חסר בשרשרת חרוז אחד, החרוז שלידו יכול לעבור למקום בו נמצא החור, החרוז הבא יכול לעבור למקום שהתפנה, וכך הלאה. באופן דומה, אם נפעיל מתח במצב שבו פס האנרגיה החיצוני (פס ההולכה) מלא פרט למצב אחד בלבד, אלקטרון אחד יכול לקפוץ למצב הפנוי מבלי לעבור פס. אלקטרון אחר יקפוץ למצב שהתפנה, וכך הלאה. באופן זה ינועו האלקטרונים במעין שרשרת, ויווצר זרם. 

אפשר לתאר את המערכת הזו בדיוק באותו אופן אם הופכים בין תפקידם של האלקטרונים והחורים. במקום להסתכל על שרשרת האלקטרונים עם האלקטרון החסר, ניתן להסתכל על החור כעל חלקיק ולהתעלם מהאלקטרונים. החור מתנהג כחלקיק בעל מטען חשמלי חיובי הזהה בגודלו למטען האלקטרון. חורים מתנהגים במובן מסוים כמו אנטי-אלקטרון (האנטי-חלקיק היסודי של האלקטרון הוא הפוזיטרון [2] אך לא נעסוק בו כאן). כאשר אלקטרון וחור ייפגשו, הם "ישמידו" זה את זה ויפלטו את הפרש האנרגיה בדרכים שונות, כמו חלקיקי אור (פוטונים) או רטט בגביש (פונונים).

למבנה פסי האנרגיה של מוליכים למחצה (מל"מ) ולמספר האלקטרונים שבהם יש חשיבות לתכונות ההולכה שלהם (נסביר בפוסט הבא). לכן, נהוג לחלק מל"מ לקבוצות לפי תכונות אלו: מוליכים למחצה שמספרי האלקטרונים והחורים שלהם כמעט זהים, נקראים מוליכים למחצה פנימיים (אינטרינזיים). מוליכים למחצה עם עודף אלקטרונים יקראו מוליכים למחצה מסוג N (נגטיב - שלילי). מוליכים למחצה בעלי עודף של חורים יקראו מוליכים למחצה מסוג P (פוזיטיב - חיובי).

כיצד ניתן לשלוט בריכוז האלקטרונים והחורים במל"מ? התשובה היא זיהום מכוון של המל"מ באטומים זרים בעלי עודף או חוסר אלקטרונים. למשל, לסיליקון, שהוא חומר נפוץ בתעשיית המל"מ, יש 4 אלקטרונים בפס הערכיות ואין בו אלקטרונים חופשיים להולכה. הוספת אטומי זרחן, שלהם 5 אלקטרוני ערכיות, תהפוך את הסיליקון למל"מ מסוג N שכן אטומי הזרחן יתרמו עוד אלקטרון כל אחד. אילו היינו מוסיפים אטומי גאליום, שלהם 3 אלקטרוני ערכיות, היינו מקבלים מל"מ מסוג P שכן אטומי הגאליום הם בעלי אלקטרון אחד פחות מהסיליקון.

בתעשיית המוליכים למחצה משתמשים בעיקר בסיליקון. בכל זאת, ישנם סוגים רבים של מוליכים למחצה (חלקם עשוי מתרכובת של כמה יסודות שונים), כאשר כל סוג הוא בעל תכונות שונות. למשל, חלק מאפשרים לאלקטרונים תנועה גדולה יותר בגביש, ואילו אחרים מאפשרים זאת לחורים. נקודה חשובה נוספת היא שהמל"מ תמיד נייטרלי מבחינה חשמלית. הסיבה לכך היא שאמנם יש עודף או חוסר של אלקטרונים, אך האטומים הגורמים לעודף או לחוסר האלה הם ניטרליים.

לבסוף, נדגיש שתהליך הזיהום (או האילוח) אמנם נשמע מלוכלך, אך למעשה מחדירים כמות מזערית ביותר של יסודות זרים, כדי לא לפגוע במבנה החומר. הכנסה של אטומים זרים רבים עשויה לגרום לפגמים במבנה הגביש. בפועל, כמות הזיהום כל כך קטנה שהיא כוללת אטום זר אחד על כל מיליארד אטומים של הסריג! זו הסיבה שבגינה נדרשת רמה גבוהה של ניקיון בתעשיית המוליכים למחצה.

לסיכום, ראינו שניתן לשלוט בתכונות ההולכה של מוליכים למחצה על ידי זיהומים בחומרים שונים. כיצד אנו מתרגמים את יכולת השליטה הזו ליצירת התקנים עובדים? על כך ועוד בפוסט הבא בסדרה.

מקורות וקריאה נוספת:

[1] על מטען חשמלי

[2] על הפוזיטרון

[3] Semiconductor Device Fundamentals - Robert F. Pierret

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