מראה מראה שעל הקיר, מי הכי מחזירה בעיר? על מראה דיאלקטרית

מה אתם רואים כאשר אתם מביטים במראה? את הבבואה שלכם.

מה הייתם רואים אילולי היתה המראה תלויה על הקיר מולכם? את הקיר.

במילים אחרות, מה שאתם בעצם רואים זה אור שהגיע ממקור כלשהו (שמש, מנורה וכדומה) פגע בכם, יצא מכם, פגע במראה וחזר באופן מסודר לעין שלכם שם הפעיל חיישנים של אור שהמידע שהתקבל על ידם עוּבד במוח לתמונה מנטלית שהיא מה שאתם 'רואים'.

הקיר בולע חלק גדול מהאור ואת השאר מחזיר באופן לא מסודר.
[הערת שוליים 1: החזרה מסודרת מתאפיינת למשל בכך שאור שפוגע במשטח בזווית כלשהי, מוחזר ממנו באותה הזווית. בהחזרה לא מסודרת האור מפוזר לכל הכיוונים בצורה אקראית.]

תמונה 1: כד משתקף במראה. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Cgs.

איך מייצרים מראות כך שהאור יוחזר מהן בצורה רצויה? בעבר מראות יוצרו על ידי ליטוש אבל כיום יש שיטה הרבה יותר יעילה. לוקחים משטח שקוף וחלק, למשל זכוכית, ומצפים את אחד הצדדים שלו בשכבה של חומר מתכתי. סוג ותכונות החומר המתכתי יקבעו את איכות ההחזרה בצבעים שונים. ציפוי אלומיניום, למשל, מחזיר כ-90% מהאור בכל הצבעים הנראים. כסף, לעומת זאת, מחזיר טוב יותר ברוב הצבעים (95-99%) אבל בכחול מחזיר פחות טוב (פחות מ-90%).

אז מראות רגילות מחזירות אור בצורה מסודרת ובאחוזים גבוהים, אבל גבוה הוא לא תמיד מספיק גבוה. ישנם יישומים מדעיים וטכנולוגיים בהם 99% זה קטסטרופה. מה אז? ישנה דרך לקבל החזרה טובה אפילו יותר מ- 99.99% מהאור, אבל יש לזה מחיר.

איך זה עובד ומהו המחיר? בהמשך.

ראשית נתחיל בהתחלה, וההתחלה הפעם היא במקום לא צפוי.

***

פולס על חבל

נניח שאתם אוחזים בקצהו של חבל ארוך שקצהו השני מעוגן לקיר. משיכה מהירה של קצה החבל ימינה והחזרתו למקומו המקורי מייצרת פולס (חלק של החבל שלא נמצא על הקו הישר) שנע לאורך החבל הלוך ושוב. שימו לב שהמולקולות שמרכיבות את החבל אינן נעות לאורך החבל. הדבר היחיד שנע לאורך החבל הוא הפולס (ראו שניות 00:32-01:07 בסרטון 2). בדומה, כאשר עובר גל מקסיקני במגרש כדורגל, הצופים אינם מחליפים מקום ישיבה במגרש. מה שזז הוא הפולס, כלומר אילו מהצופים מתרומם ומריע בכל רגע.

סרטון 2: פולסים נעים הלוך וחזור על גבי קפיץ (בין שניות 00:32-01:07). הסרטון המלא מציג מורה לפיזיקה שחוקר ביחד עם כיתתו פולסים שנעים על גבי חבל שבעצמו נע. שווה הצצה.

אם התאום המרושע שלי עומד רחוק ממני אך צמוד לחבל אוכל לסטור לו על ידי שליחת פולס לאורך החבל. כאשר הפולס יגיע אליו, חלקי חבל יצאו מהקו הישר (שיווי המשקל), יפגעו בפניו של התאום ויכאיבו לו. כלומר, הצלחתי להעביר אנרגיה (ותנע) לאורך החבל מבלי להעביר חומר שיישא אותה עליו. לדבר הזה אנחנו קוראים גל.

דבר נוסף שאני יכול לעשות הוא להסית את קצה החבל משיווי משקל בקצב קבוע. סדרה של פולסים, ימינה ושמאלה, תצא מקצה אחד של החבל במרווחים שווים ותנוע לאורכו, אחד אחרי השני (ראו איור 3). לדבר הזה אנחנו קוראים גל מחזורי, וניתן לאפיין אותו על ידי מספר תכונות. מהירות ההתקדמות של הפולסים לאורך התווך (כלומר החבל), תדירות (קצב הופעת הפולסים מהמקור) ואורך הגל (המרחק הקבוע בין שתי נקודות זהות על גבי המחזור). התדירות נקבעת על ידי המקור, המהירות על ידי תכונות התווך ואורך הגל על ידי השניים הראשונים.

איור 3: מבט על על יד שמנענעת קצה של חבל וגורמת לגל להתקדם על גבי החבל. הפולסים 'מרובעים' כי זה מה שיש ביכולתי לצייר בזמן סביר.

התאבכות

מה קורה כאשר שני פולסים 'פוגשים' אחד את השני על החבל? ההשפעה של שניהם מתחברת (מכונה בעגה: סופרפוזיציה). נבחן נקודה בודדת על החבל. אם בנקודה זאת פיסת החבל היתה אמור לסטות משיווי משקל בסנטימטר אחד עקב פולס א' ובאותו הרגע גם בשני סנטימטרים עקב פולס ב', היא תסטה בשלושה סנטימטרים. מאותה סיבה, אם הנקודה היתה אמורה לסטות בסנטימטר ימינה עקב פולס א' ובשני סנטימטר שמאלה עקב פולס ב', היא תסטה סנטימטר שמאלה. לאחר שהפולסים חלפו אחד על פני השני וכבר אינם חופפים במרחב, הם חוזרים לצורתם המקורית.

אם כך, כאשר שני פולסים זהים נפגשים על גבי חבל הם יתחברו אם הם בכיוון סטיה זהה (במופע זהה) ויתחסרו אם הם במופע הפוך. מסקנה נוספת היא ששני גלים מחזוריים זהים שנעים באותו כיוון ואחד מוסט ביחס לשני באורך גל שלם יחזקו אחד את השני, דבר המכונה 'התאבכות בונה' (ראו איור 4, שמאל). שני גלים מחזוריים זהים שנעים באותו כיוון ומוסטים אחד ביחס לשני בחצי אורך גל 'יעלימו' אחד את השני, דבר המכונה 'התאבכות הורסת' (ראו איור 4, ימין).

איור 4: התאבכות בין שני גלים. משמאל שני גלים המוסטים אחד ביחס לשני בכפולה כלשהי של אורך גל שלם ולכן עוברים התאבכות בונה. מימין שני גליה המוסטים אחד ביחס לשני בכפולות של חצי אורך גל ולכן עוברים התאבכות הורסת. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה ועובד על ידי המשתמשים Haade, Wjh31, Quibik, עם כותרות שלי בעברית.

מעבר תווך של גלים

מה קורה כאשר פולס על חבל מגיע לקצה תווך, כלומר לקיר? הוא יוחזר חזרה בכיוון ההפוך, אבל באיזה צורה? לשאלה הזאת יש שתי תשובות שתלויות האם הקצה מקובע או שהוא חופשי לנוע. כדי לייצר את המקרה הראשון פשוט נעגן את הקצה השני לקיר. את המקרה השני נקבל למשל אם בקצה החבל יש טבעת שמושחלת על מוט. הטבעת יכולה לנוע לאורך המוט ובניצב לחבל (מחוץ לשיווי משקל) אך לא קדימה ואחורה לאורך החבל.

מסתבר שכאשר פולס מגיע לקצה קשור הוא חוזר בצורה הפוכה ממה שהוא הגיע. הסיבה לכך היא שתנאי השפה מכתיבים שחיבור הגלים בנקודה הקשורה חייב לצאת אפס, ללא תלות במצבו של הגל הפוגע. אם כך, פולס שמאלי חוזר מימין ולהפך (ראו איור 5א ו-5ב). הדבר מכונה בעגה 'היפוך מופע' או 'היפוך פאזה'. אם הקצה חופשי, הפולס חוזר באותה צורה שהוא הגיע. כלומר, פולס שמאלי חוזר משמאל ופולס ימני חוזר מימין, ללא היפוך מופע. ניתן לראות את התופעות האלה גם בסרטון 2 למעלה.

שימו לב שהיפוך מופע של גל מחזורי שקול להסטתו בחצי אורך גל, כך שכל מקסימום הופך למינימום וכדומה.

איור 5: החזרה של פולס מקיר. חלק א' מתאר את הפולס הנע מהיד לכיוון הקיר. חלק ב' מתאר את הפולס החוזר מהקצה קשור לאחר היפוך מופע. חלק ג' מתאר את הפולס החוזר מקצה משוחרר ללא היפוך מופע.

מה קורה כאשר התווך לא מסתיים, אלא משתנה לתווך אחר? לדוגמה, חבל א' קשור בקצהו לחבל ב' ששונה ממנו בתכונותיו. בהגיעו של הפולס לקצה התווך, חלקו יחזור כפולס קטן יותר וחלקו יעבור לחבל השני כפולס קטן יותר. הפולסים בכל תווך מקיימים את תכונות התווך בהם הם נמצאים.

ראשית נציין שכאשר פולס נע על תווך שצפיפות המסה שלו נמוכה (חבל קל) אז מהירות התקדמות הפולס עליו גבוהה. כאשר פולס נע על תווך שצפיפות המסה שלו גבוהה (חבל כבד) אז מהירות התקדמות הפולס עליו נמוכה.

האם הפולסים החוזרים יתהפכו או שלא יתהפכו? שוב נקבל שתי תשובות שתלויות בתנאים. כאשר פולס נע על חבל קל ופוגש חבל כבד הוא חוזר כמו מקצה קשור, כלומר עובר היפוך מופע (ראו איור 6, שמאל). כאשר פולס נע על חבל כבד ופוגש חבל קל הוא חוזר כמו מקצה משוחרר, כלומר אינו עובר היפוך מופע (ראו איור 6, ימין). הפולס שעובר לתווך השני לעולם לא עובר היפוך מופע.

איור 6: התנהגות פולס במעבר תווך. (1) משמאל פולס נע בחבל קל, פוגש חבל כבד ומוחזר עם היפוך מופע. (2) מימין פולס נע בחבל כבד, פוגש חבל קל וחוזר ללא היפוך מופע. לא הקפדתי על הקטנת הפולסים לאחר מעבר התווך. אתם תסלחו לי, נכון?

אוקיי, אז איך בשם כל השדים והרוחות קשור כל זה למראה?!

***

אור הוא גל

אז מסתבר שהאור שאנחנו רואים הוא בעצם גל אלקטרומגנטי באורכי גל שבין 400 ל-700 ננומטר. עסקתי בעבר בשאלה מהו אור ומה התווך בו הוא נע. מה שחשוב לנו כרגע הוא שאור הוא גל וככזה מתנהג כמו פולס או גל מחזורי על גבי חבל.

כאשר גל אור עובר מתווך אחד למשנהו, למשל מאוויר לזכוכית, חלק מהגל עובר וחלק מוחזר. אחוז ההחזרה הוא כמובן נמוך כאשר האור פוגע בניצב למשטח של חומר שקוף (כלומר עם בליעת אור מועטת). מבחינת האור, ההבדל בין תווך שקוף אחד למשנהו נובע ממהירות התקדמות הגל בתוכם. בואקום נע האור במהירות האור, במים נע לאט יותר פי 1.33 ובזכוכית פי 1.5. בדומה להחזרות על גבי החבל, כאשר אור נע בתווך איטי ופוגש מהיר, הוא מוחזר ללא היפוך מופע. כאשר האור נע בתווך מהיר ופוגש איטי הוא חוזר עם היפוך מופע. לדוגמה, אור שנע באוויר, פוגע בזכוכית ומוחזר יעבור היפוך מופע, אך אור שנע בזכוכית ופוגע באוויר (בקצה הזכוכית) יחזור ללא היפוך מופע.

כעת באה קומבינה מס' 1

נניח שיש לנו שכבת זכוכית שקופה שאותה נצפה בשכבה שקופה מחומר אחר שבו מהירות התקדמות האור נמוכה יותר מזו שבזכוכית. נדאג שעובי שכבת הציפוי תהיה רבע אורך גל, כלומר שאורכו של מחזור שלם של הגל הוא פי 4 מעובי השכבה. אור שמגיע בכיוון ניצב מהאוויר פוגע בגבול אוויר-ציפוי, רובו עובר לציפוי וחלקו הקטן מוחזר לאוויר עם היפוך פאזה. החלק שעבר פוגע בגבול ציפוי-זכוכית, רובו עובר לזכוכית וחלקו הקטן מוחזר לציפוי ללא היפוך פאזה ואז רובו יוצא החוצה לאוויר. גל האור שהוחזר לאוויר וגל האור שיצא לאוויר מתוך שכבת הציפוי מתחברים אחד עם השני. הראשון עבר היפוך מופע עקב ההחזרה. השני לא עבר היפוך אבל צבר פיגור של חצי אורך גל עקב המסע הלוך ושוב בתוך הציפוי (ראו איור 7). אם כך, גלי האור שחוזרים מהשכבות עוברים התאבכות בונה וגל האור המוחזר חזק יותר ביחס למקרה שבו אין ציפוי. כלומר, הוספת הציפוי הגדילה את כמות האור המוחזר.

איור 7: השפעת שכבת רבע אורך גל על החזרות. באיור מוצגות שתי החזרות. אחת מגבול אוויר ציפוי שעוברת היפוך מופע ושניה מגבול ציפוי-זכוכית שלא עוברת היפוך מופע אך צוברת פיגור של חצי אורך גל. שתי ההחזרות עוברות התאבכות בונה באוויר בדרכן אל העין שלנו.

[הערת שוליים 2: בהסבר אני מתעלם מהחזרות פנימיות מסדר גבוה יותר. ניתן לסכום את התרומות ההולכות וקטנות ולראות שהכול עדיין מסתדר.]

כעת באה קומבינה מס' 2

ההחזרה בעקבות הוספת הציפוי מוגברת, אך היא נמוכה מלכתחילה. כדי להגביר את האפקט נרצה להוסיף עוד ועוד שכבות של ציפוי שיחזירו עוד ועוד מהאור באותה צורה. אך על כל שכבת ציפוי אנחנו צריכים להוסיף גם שכבת מצע של זכוכית. תפקידה של הזכוכית, מלבד היותה המצע לשכבות הציפוי, יהיה כעת לגרום להעברה מקסימלית של אור הלאה. בדיוק הפוך מתפקידה של שכבת מראה. 'הקסם' הוא שאם נבחר את עובי שכבת המצע להיות רבע אורך גל היא תייצר בדיוק אפקט הפוך לשכבת הציפוי ותעביר את כל האור. למעשה מדובר בדיוק באותו תרגיל כמו מקודם רק שהפעם סדר השכבות וההחזרות הפוך כך שגלי האור המתחברים מחוץ לזכוכית עוברים התאבכות הורסת (ראו פירוט באיור 8). אם הגלים החוזרים הורסים אחד את השני, זה אומר שכל האור בעצם עובר הלאה. בדיוק בעיקרון הזה נעשה שימוש בציפויים נגד החזרות על עדשות משקפיים (Anti-reflective coating).

איור 8: ציפוי למניעת החזרות. באיור מוצגות שתי החזרות. אחת מגבול אוויר ציפוי שעוברת היפוך מופע ושניה מגבול ציפוי-זכוכית שגם עוברת היפוך מופע וגם צוברת פיגור של חצי אורך גל ולכן סה"כ מוזזת באורך גל שלם. שתי ההחזרות עוברות התאבכות הורסת באוויר בדרכן אל העין שלנו, כלומר אין החזרות.

השורה התחתונה היא שכל זוג שכבות שנוסיף, זכוכית-מצע וציפוי, שתיהן בעובי רבע אורך גל, יגבירו את אחוז ההחזרה. נוכל להוסיף עד ועוד שכבות עד לקבלת החזרה גבוהה הרבה יותר מזו של מראות מתכת. מכיוון שמדובר באורכי גל מאוד קצרים, עובי המבנה כולו נשאר דק מאוד. המבנה הזה מכונה בעגה: מראה דיאלקטרית (Dielectric mirror או Distributed Bragg reflector).
[הערת שוליים 3: לבעלי הכרות מוקדמת עם החומר אעיר שהמבנה הוא בעצם Photonic crystal חד מימדי.]
[הערת שוליים 4: לא מובטח לי שהגלים המתחברים מחוץ לשכבות הם זהים (מבחינת עוצמת התנודה) ולכן ההתאבכות, בונה או הורסת, אינה מושלמת. בד"כ רצוי ראשית לחשב את מהירות התקדמות האור הדרושה בשכבת הציפוי לקבלת תוצאות אופטימליות (בעיקר בציפוי anti-reflection) אך לא אעסוק בכך כאן. לבעלי הכרות מוקדמת עם חומר אעיר שהחישוב זהה לתיאום אימפדנסים בקו תמסורת על ידי שנאי רבע אורך גל.]

אז מה המחיר שיש לשלם?

זכרו שעובי השכבות צריך להיות רבע אורך גל. אם כך, המראה שלנו מושלמת, אבל רק עבור אורך גל בודד! אם נדייק, עבור מספר שכבות רב יש טווח של אורכי גל שיוחזרו, אבל טווח זה מוגבל מאוד ביחס למראה רגילה. כיום יודעים לייצר מראות דיאלקטריות לטווח רחב יחסית של אורכי גל אבל הן קטנות בגודלן, יקרות ומשמשות בעיקר למעבדות וליישומים טכנולוגיים עתירי ידע.

אבל מסתבר שלא הכול יקר. יש דברים שנוכל לקבל בחינם. קחו למשל את הפרפר הצבעוני הזה. הצבעים המטאליים של הכנפיים שלו אינם נובעים מפיגמנטים, אלא ממבנה מורכב של שכבות קשקשים שמייצרים מראות דיאלקטריות שמחזירות רק צבעים מסוימים. יש מה ללמוד ממנו.

תמונה 9: פרפר מסוג morpho peleides. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Asturnut.

***

תודות לדר. ערן גרינולד על ביאור קושיות ותמיכה מדעית.

כל הטעויות ברשימה הן שלי ועל אחריותי בלבד…

מלך המתגים – על עקרון הפעולה של טרנזיסטור MOSFET

בחודש הבא יחגוג הבלוג 5 שנים להיווסדו. במילים אחרות, אני כותב פה כבר 5 שנים. פיסת חיים.

איור 1: עוגת יומולדת עם 5 נרות. המקור לאיור: clip art מה-powerpoint.

העובדה הזאת גרמה לי לשאול את עצמי האם אני זוכר את כל מה שכתבתי כאן. האם אני אעבור בחינה על החומר שכתוב בבלוג. רמז  לסיכויי ההצלחה שלי במבחן כזה קיבלתי לא מזמן.

תהיתי לעצמי האם כתבתי בעבר הסבר על עקרון הפעולה של טרנזיסטורים. חשבתי שכן, אבל לא הייתי בטוח. האמת המביכה היא שכדי להחליט הייתי צריך לעשות חיפוש באתר של עצמי. גיליתי להפתעתי שמעולם לא כתבתי עליהם, אלא רק כנושא צדדי קצר כדי להסביר משהו אחר, למשל כשסיפרתי על זיכרון פלאש או על מימוש של שערים לוגיים. המצב קשה.

אז כמו שכבר הבנתם הנושא הפעם הוא עיקרון הפעולה של טרנזיסטורים, כאשר אתמקד בסוג שנקרא MOSFET שזה קיצור נפלא לזוועה הבאה: 'Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor'. כמו כן אתמקד בפעולה שלו כמתג, מכיוון לדעתי אלה הן הדוגמאות החשובות והפשוטות ביותר.

הרשימה הפעם מעט ארוכה מהרגיל. הסיבה לכך היא הרצון שלי לתת רקע איתן שיאפשר הבנה ללא קשר לידע מוקדם. מהסיבה הזאת הקפדתי להפריד את הרשימה למקטעים שכל אחד מהם מתחיל בשאלה שמתארת היטב מה מטרתו. הקורא יכול לרפרף בנוחות ולבחור לדלג על מקטע שדן בשאלה שאותה הוא כבר מכיר.

***

מהו טרנזיסטור?

לעניינינו, טרנזיסטור הוא מתג חשמלי שביכולתו לווסת זרימת מטענים חשמליים. הטרנזיסטור הוא אבן הבסיס לבניית שערים לוגיים ומכאן לכל יחידות המחשב (מעבד, זיכרון וכולי). מדובר ברכיב חשמלי בעל שלושה חיבורים חיצוניים שאותם נסמן באותיות S,D ו-G שהם קיצור ל-source, drain ו-gate בהתאמה.

נוח לחשוב על הטרנזיסטור כעל ברז ששולט על זרימת מים בצינור, כאשר המים מסמלים זרם חשמלי. בצינור יש לחץ ולכן מים יזרמו דרכו אלא אם כן שמנו מחסום, למשל ברז שחוסם את המעבר. כלומר, פתיחת הברז תשחרר את החסימה ותאפשר את זרימת המים. הטרנזיסטור מחובר במעגל חשמלי כך שבין הרגליים S ו-D ישנו מתח חשמלי כך שאם הוא פתוח, זרם חשמלי יזרום דרכו ללא הפרעה (משול ללחץ בצינור). חיבור ה-G משמש כידית הברז. מתח חיובי על רגל ה-G (בד"כ ביחס ל-S) תגרום לפתיחת הברז ולזרימה חשמלית.

כיצד הפעלת מתח חשמלי על רגל G גורמת לפתיחת מחסום לזרם?

לפני שאענה על השאלה הזאת, אעבור דרך מספר תחנות ביניים. הסבלנות תשתלם.

***

מהו מוליך למחצה?

כמו שכתבתי בעבר, מוליך למחצה אינו מוליך ואינו חצי של שום דבר.

ההבדל העיקרי בין מוליכים למבודדים הוא שבחומרים מוליכים (למשל מתכות) ישנם תמיד כמות עצומה של אלקטרונים זמינים להולכה חשמלית. אין צורך להשקיע אנרגיה כדי לשחרר אותם מהאטומים. לעומת זאת, במבודדים האלקטרונים קשורים לאטומים ואינם זמינים. דמיינו את האלקטרונים לכודים בתוך בור שהוא האטום. ניתן לשחרר אותם אבל צריך להשקיע אנרגיה להרים אותם אל מחוץ לבור. ברוב המבודדים כמות האנרגיה שיש להשקיע היא כל כך גדולה כך שאם למשל נחמם אותו כדי להעניק לאלקטרונים אנרגיה כך שיוכלו לברוח מהבור, החומר עצמו יתפרק.

ישנם מספר חומרים מיוחדים שבהם המחסום שעליו אלקטרונים צריכים להתגבר כדי לצאת לחופשי הוא כל כך קטן כך שהאנרגיה התרמית שיש להם בטמפרטורת החדר מספיקה כדי לשחרר כמות גדולה מהם כך שניתן להעביר זרם חשמלי דרך החומר. חומרים אלה נקראים 'מוליכים-למחצה'. שימו לב שהמוליכים למחצה הם למעשה מבודדים. בטמפרטורות נמוכות הם אינם מוליכים כלל, ובטמפרטורת החדר יש להם מוליכות קטנה ביחס למתכות אך גדולה מאפס. הדוגמה הידועה ביותר למוליך למחצה הוא היסוד סיליקון (צורן), מספר 14 בטבלה המחזורית. הסיליקון הוא החומר העיקרי שמשמש את תעשיית השבבים לייצור מעגלים מודפסים ולכן לייצור טרנזיסטורים.

תמונה 2: גוש סיליקון. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Enricoros.

אחת מהתכונות החשובות של המוליכים למחצה בכלל ושל הסיליקון בפרט הוא היכולת לשלוט במוליכות החשמלית שלו ולקבע אותה כרצוננו. המוליכות החשמלית של מתכת, למשל, תמיד גבוהה ותלויה חזק בטמפרטורה. שתי תכונות אלה אינן רצויות אם ברצוננו לבנות רכיב חשמלי שיפעל בטווח רחב של מצבים.

***

כיצד שולטים במוליכות הסיליקון?

גביש הסיליקון מורכב מרשת מחזורית של קשרים קוולנטיים. לפי מיקומו בטבלה המחזורית הוא מייצר 4 קשרים עם 4 אטומים קרובים אליו. קשר קוולנטי הוא בעצם שיתוף של אלקטרונים עם אטום אחר.

ניתן להשתיל אטומים זרים לתוך המבנה הגבישי המסודר של הסיליקון בכמות נמוכה כך שהמבנה עצמו לא ישתנה, כלומר תכונות החומר יישארו זהות. אם נבחר לזהם את הסיליקון למשל בזרחן, מספר 15 בטבלה המחזורית, האטומים הבודדים של הזרחן ישתבצו לתוך הסידור המחזורי של אטומי הסיליקון. אבל לזרחן יש אלקטרון אחד עודף בקליפת האנרגיה החיצונית ולכן לאחר היווצרות הקשר הקוולנטי יישאר אלקטרון אחד עודף שיהיה חופשי להולכה חשמלית. זיהום הסיליקון בסדר גדול של אטום אחד לאלף מספיק כדי להעלות את המוליכות באופן דרסטי מבלי לשנות את תכונות החומר. למעשה האלקטרונים החדשים נהיים הגורם הדומיננטי לכמות האלקטרונים הזמינים להולכה. בנוסף, עבור האלקטרונים שנוספו מספיקה טמפרטורה נמוכה מאוד ביחס לטמפרטורת החדר כדי לנתק אותם מהאטום ולכן כמות האלקטרונים הזמינים להולכה בחומר אינה מושפעת חזק משינויי טמפרטורה. אם כך, קיבלנו חומר שבו אנחנו קבענו את רמת ההולכה על ידי רמת הזיהום והיא אינה תלויה בטמפרטורה. בדיוק מה שנדרש לאלקטרוניקה.

ניתן לזהם סיליקון גם בחומר עם אלקטרון אחד פחות בקליפה החיצונית (למשל בורון, מספר 5 בטבלה, טור אחד שמאלה ביחס לסיליקון) כך שלאחר היווצרות הקשרים יהיה חוסר באלקטרון אחד. מבלי להיכנס יותר מדי לפרטים, החוסר מאפשר זרם מכיוון שהאלקטרונים יכולים לזוז דרך המקום הפנוי (כמו פאזל הזזה). נהוג לקרוא למקום הפנוי 'חור' ולהתייחס אליו כחלקיק בעל מטען חשמלי חיובי (או קווזי-חלקיק). מוליכים למחצה שזוהמו בחומרים 'מימין' ולהם אלקטרונים זמינים להולכה נקראים n-type וחומרים מזוהמים 'משמאל' ולהם חורים נקראים p-type. הזרם החשמלי במוליכים למחצה מורכב, אם כן, משני סוגים: זרם אלקטרונים וזרם חורים.

***

מהו קבל?

אחד הרכיבים הבסיסיים במעגלים חשמליים נקרא קבל. זהו רכיב בעל שני חיבורים למעגל וביכולתו לאגור אנרגיה חשמלית. בצורתו הפשוטה ביותר להסבר מדובר בשני לוחות מתכת שביניהם יש חומר מבודד כלשהו (ראו איור 3). כאשר נפעיל מתח חשמלי בין הלוחות, יצטבר מטען שווה בגודלו והפוך בסימנו על כל לוח כך שנוצר ביניהם שדה חשמלי. כמות המטען על הלוחות תלויה במתח החשמלי על הלוחות ובצורתו של הקבל ותכונותיו של החומר המבודד (האחרון מכונה בעגה 'קיבול').

איור 3: סכמה של קבל לוחות.

ההנחה שלנו בניתוח הקבל הוא ששני הלוחות הם מתכתיים ובעצם, במובן מסוים, מהווים המשך של החוטים במעגל. מתכות יכולות לספק כמות בלתי מוגבלת של אלקטרונים.

מה יקרה אם נחליף את אחד הלוחות המתכתיים לחומר שאינו מתכתי, לדוגמה מוליך למחצה?

***

מהו קבל MOS?

נניח והחלפנו את אחד מלוחות המתכת של קבל לוחות בלוח שעשוי מוליך למחצה. מה יקרה?

הקבל כמכלול יתנהג פחות או יותר אותו הדבר. מטען שווה והפוך יצטבר על הלוחות. אבל המוליך למחצה אינו מתכת והוא מתקשה לספק את האלקטרונים הדרושים. דבר זה מוביל לשינויים מעניינים בתוכו שאותם אנחנו נוכל לנצל.

הקיצור MOS בא במקום metal-oxide-semiconductor. הקבל הוא חומר מבודד (אוקסיד, תחמוצת סיליקון, בעצם זכוכית) בסנדוויץ' בין מתכת למוליך למחצה (ראו איור 4). כמובן שעל הסיליקון יש חיבור מתכתי למעגל החשמלי, אבל זה לא משנה לעקרון הפעולה.

איור 4: סכמה של קבל MOS..

נניח ששכבת הסיליקון היא p-type, כלומר המטענים החופשיים בה הם 'חורים' בעלי מטען חשמלי חיובי. הפעלת מתח חיובי דורשת הצטברות מטען שלילי במוליך למחצה. מה שיקרה הוא שהחורים, שהם בעלי מטען חשמלי חיובי, ידחו ויעזבו את המקום. הם ישאירו אחריהם שכבה של אטומים מיוננים בעלי מטען שלילי שנקראת שכבת המיחסור (depletion), והיא זאת שתורמת את המטען הדרוש.

ככל שנגדיל את המתח, כך ידרשו עוד מטענים שליליים במוליך למחצה ושכבת המיחסור תתרחב. אם המתח המופעל מספיק גבוה (בעגה: מתח הסף) תהליך זה כבר אינו יעיל בגלל רוחבה הגדול של שכבת המיחסור ובמקום זאת יחלו להופיע אלקטרונים (ראו איור 5). כלומר, הפעלת מתח בעוצמה מספיקה יכולה לשנות את אופי המוליך למחצה. החומר כבר לא p-type אלא n-type, כלומר שינוי מחומר שמוליך חורים לחומר שמוליך אלקטרונים. תופעה זאת נקראת אינברסיה (inversion). הפוטנציאל החשמלי משתנה לעומק הרכיב וככל שמתרחקים מהאלקטרודה הוא קטן. לכן האינברסיה תופיע כשכבה דקה קרוב לאלקטרודה (רק באזורים בהם הפוטנציאל גבוה מספיק).

איור 5: הפעלת מתח גבוה ממתח הסף על קבל ה-MOS גורמת להיווצרות שכבת אינברסיה..

כעת יש לנו כבר את כל מה שאנחנו צריכים כדי לקבל את הטרנזיסטור.

***

מהו טרנזיסטור MOSFET?

היזכרו שכאשר הצגתי את טרנזיסטור ה-MOSFET כתבתי שיש לו 3 חיבורים: S,D ו-G. כדי לקבלו נוסיף למוליך למחצה בקבל ה-MOS פיסת סיליקון n-type משני צדדיו ונחבר כל אחת מהן למתח חיצוני. אחת הפיסות תסומן ב-S, אחת ב-D והמתכת מעל האוקסיד תכונה G (ראו איור 6).

איור 6: סכמה של טרנזיסטור MOSFET.

ללא הפעלת מתח על G לא ניתן להעביר זרם בין S ל-D גם אם נפעיל מתח ביניהן מכיוון שנקודות S ו-D מחוברות לסיליקון מסוג n-type שבו יעבור רק זרם אלקטרונים ופיסת הסיליקון המקורית מהקבל היא p-type ובה יעבור רק זרם חורים. הפעלת מתח מספיק גבוה על נקודה G תגרום להופעת שכבה דקה של n-type קרוב לקצה החיצוני של המוליך למחצה, תחבר בין S ו-D, ותשמש כתעלת הולכה של אלקטרונים (ראו איור 7). דעו כי האפקט הוא דרמטי. כאשר המתח על נקודה G נמוך ממתח הסף אין זרם, ומעל מתח הסף הזרם גדל באופן משמעותי כך שהטרנזיסטור יכול להיחשב כקצר, כלומר כחוט מתכתי מוליך זרם.

איור 7: הפעלת מתח גבוה ממתח הסף על ב-G גורמת להיווצרות שכבת אינברסיה ולפתיחת הטרנזיסטור לזרם חשמלי.

אם כך, על ידי הפעלת מתחים מתאימים על נקודה G ניתן למתג את הזרם דרך הטרנזיסטור בין מצבים 'פתוח' ו-'סגור'. ברז אלקטרונים מושלם ונוח לתפעול.

הערה לסיום: שימו לב שהמעבר שעשיתי בין קבל MOS לטרנזיסטור MOS הוא קונספטואלי לשם הסבר ברור. לא כך בונים טרנזיסטור MOSFET.

הדרך הטובה לבנות טרנזיסטור MOSFET מהסוג שתואר כאן הוא להתחיל מגוש סיליקון מסוג p ועל פני השטח לזהם שתי בארות קטנות של n. את החיבורים לאזורים השונים יש ליצור כלפי מעלה.

אבל אסיים כאן. ייצור טרנזיסטורים ותפעולם הוא נושא לרשימה אחרת.