דינמיקה קוונטית: מעבר מחסומים, מתכות, מוליכים למחצה, דיודות

forum link

חלקיק יכול להמצא בו זמנית בשני מקומות.
כשיש פתח – הוא ינסה לעבור דרכו.
כשיש שני פתחים – הוא ינסה לעבור בו זמנית דרך שניהם, ולפעמים לא יצליח.
כשיש מחסום הוא יכול לעבור דרכו ("מינהור").
לפעמים קל יותר לחלקיק לעבור 2 מחסומים מאשר לעבור מחסום אחד.
פסי אנרגיה במתכות: אנרגיות שבהן החלקיק "חופשי לנוע"

בפונציאל מחזורי החלקיק חופשי לנוע רק בפסי אנרגיה. יחס הדיספרסיה בכל פס מומחש בציור הבא. בחצי התחתון של הפס החלקיק מתנהג "רגיל", שזה אומר שהמהירות גדלה עם האנרגיה, מכאן שמסת החלקיק היא "חיובית". לעות זאת בחלקו העליון של הפס החלקיק מתנהג כבעל מסה "שלילית". אם יש לנו פס שמלא חלקית רק בחציו התחתון אנו קוראים לו "פס הולכה". אם יש לנו פס כמעט מלא, אנו קואים לו "פס ערכיות". בפס כזה נעדיף להסתכל על "החורים" שמתנהגים כנושאי מטען חיוביים בעלי מסה חיובית.

מבנה הפסים הטיפוסי של מוליך למחצה כולל פס ערכיות שיכול לאכלס חורים, פער אנרגטי (gap), ופס ערכיות שיכול לאכלס אלקטרונים. במוליך למחצה "אינטרינסי" מספר האלקטרונים שווה למספר החורים, והכמות של נושאי המטען נקבעת על ידי הטמפרטורה. אם מוסיפים זיהומים (donors, acceptors), אפשר להגדיל את כמות החורים או את כמות האלקטרונים, ובהתאם מדברים על מוליך למחצה מטיפוס p או על מוליך למחצה מטיפוס n. אם יוצרים על-פני מוליך למחצה מטיפוס p שער (gate), אז פוטנציאל חיובי יגרום להתרוקנות (depletion) מנושאי מטען כיוון שהחורים "יידחו" מהשער. אבל אם הפוטנציאל מאוד חזק תיווצר שכבת היפוך (inversion layer) שכוללת נושאי מטען שליליים.

דיודות וטרנזיזטורים

על מנת להבין את עקרון הפעולה של הדיודה נתיחס תחילה לגרסא השפופרתית שלה שכוללת קתודה ואנודה כמתואר בשרטוט. בממתח חיובי האלקטרונים שנפלטים מהקטודה מואצים לעבר האנודה ונוצר זרם. בממתח הפוך כמעט אין זרם. התקן כזה נקרה "יוניפולרי" כיוון שהוא מבוסס על סוג אחד של נושאי מטען (אלקטרונים). אם אפשר היה ליצור אנודה שפולטת נושאי מטען חיוביים (פוזיטרונים), אז היה מתקבל התקן "ביפולרי". אם שמים ממתח חיובי אז במרכז ההתקן יהיה אזור "רקומבינציה", כך שהזרם מהקתודה עד לאיזור הזה הוא בעיקר עם אלקטרונים, בעוד שהזרם באיזור של האנודה הוא בעיקר עם פוזיטרונים. התקן ביפולרי ממומש בפועל על ידי הצמדת מוליך למחצה מסוג n למוליך למחצה מסוג p. זה נקרא p-n junction.

אפשר לתאר טרנזיסטור כרכיב אלקטרוני שאפשר לשלוט על ההתנגדות שלו באמצעות שער (gate). בדומה לשליטה על הזרם בצינור מים באמצעות ברז, זה מאפשר ליצור הן מעגלי מיתוג דיגיטליים, והן מעגלי הגברה אנלוגיים (במקרה האחרון שינויים קטנים במתח השער שולטים על זרם גדול). ישנן מספר דרכים לבנות טרנזיסטור, אך נבחר להרחיב על המבנה של טרנזיסטור מסוג MOSFET, כמתואר בשרטוט.

אם נתעלם מה-gate הרי שיש לנו שתי דיודות מחוברות גב אל גב ולכן לא יכול לזרום זרם בין ה-source לבין ה-drain. על מנת לקבל זרם יש לשים את ה-gate בממתח חיובי מספיק גדול כך שתיווצר שכבת היפוך.