קיבלתי מייל מסטודנטית המתכוננת לראיון עבודה. הסטודנטית שאלה דבר פשוט וספציפי. לכאורה: מה מתרחש בעת פגיעת אור במוליך למחצה? האנרגיה המתקבלת מהפוטונים מומרת לאנרגיה חשמלית, ומגבירה את המוליכות של המוליך למחצה? ודבר נוסף — האם יש קשר בין הדברים לבין האפקט הפוטואלקטרי? שלושה משפטים קצרים. בואו ננסה לענות בכנות.
- מה מתרחש בעת פגיעת אור במוליך למחצה? יש מספר אפשרויות: האפשרות הראשונה היא שלא מתרחש כלום. הפוטון מוחזר מפני השטח של המל”מ ועף לו למרחבי היקום. הדבר נקרא התנגשות אלסטית וזה די נפוץ. למעשה, כל פעם שאנחנו מבחינים בפני שטח מבריקים, העיניים שלנו קולטות את הפוטונים המוחזרים באופן אלסטי. גבישים של מוליכים למחצה בהחלט יכולים להיות מבריקים. האפשרות השנייה היא שהפוטון לא מוחזר אלא מוסט מפני השטח כך שכיוון מעופו משתנה בצורה שרירותית למדי. תופעה זו נקראת פיזור רייליי, ובזכותה חפצים שונים נראים בעלי פני שטח מט. האפשרות השלישית היא שהפוטון נבלע בתוך המל”מ וגורם לפיזור האנרגיה שלו בצורות שונות — בעיקר חום — שגם הוא אינו ניתן לזיהוי בשל הגודל המזערי של השינויים. והאפשרות הרביעית והאחרונה היא שהפוטון נבלע באופן שאנרגייתו מומרת להקפצת אלקטרון אחד מפס הערכיות של החומר המוצק לפס ההולכה שלו. מבחינת צופה חיצוני המצויד במכשור רגיש דיו, תלווה אפשרות זו בפולס של זרם חשמלי, שניתן להגביר ולגלות בצורה מקרוסקופית. כאן המצפון שלי מכריח אותי להוסיף שתי הערות חשובות: אני מתעלם כאן מהאפשרות של הקפצת חור אלקטרוני, כי אז הסיפור יהיה ארוך מדיי. ברור שאין להבין את המילה “הקפצה” כתנועה של משהו כלפי מעלה, ואת “הפסים” כפסים או אזורים הקיימים בפועל. מדובר בתיאור נוח במרחב מופשט שבו אין גובה, אורך או רוחב, אלא אנרגיות והתפלגויותיהן. כך למשל הביטוי “אלקטרון מוקפץ לפס ההולכה” פירושו הפיזיקלי שלאלקטרון יש מספיק אנרגיה קינטית כדי להתגבר על המשיכה לאטומים. למרבה המזל, הסטודנטית לא שאלה את השאלה הקשה יותר: במה תלוי איזו מהאפשרויות תתממש בפועל. אז נתעלם מזה, רק נרמוז שהדבר תלוי בגורמים רבים, והחשוב שבהם הוא אורך הגל של הפוטון.
- האנרגיה המתקבלת מהפוטונים מומרת לאנרגיה חשמלית, ומגבירה את המוליכות של המוליך למחצה? כדי לענות ולא לשקר, צריך להגדיר מה אנחנו קוראים “אנרגיה חשמלית”. זה הרבה פחות פשוט ממה שנדמה. הרי האור עצמו הוא גל אלקטרומגנטי. האם מכאן נובע שאנרגיית האור היא חשמלית? אם כן, אין שום המרה, כי הכול כאן אנרגיה חשמלית. ואם לא, אז אמנם יש המרה, אבל אז נפתחת לפנינו תהום של הגדרות: האם רק זרם הוא אנרגיה חשמלית, או שחשמל סטטי נכלל גם הוא? האם האנרגיה החשמלית נמצאת רק בחוטי חשמל? האם ניתן להקרין אנרגיה חשמלית? בלי הגדרה מדויקת של הגבולות, לא ניתן לענות על השאלה כהלכה. אני אישית מעדיף לדבר על אנרגיה ללא שמות תואר כגון “חשמלית” או “מגנטית”, אבל המראיין של הסטודנטית שלנו לא חייב לחשוב כמוני.
- האם יש קשר בין הדברים לבין האפקט הפוטואלקטרי? גם כאן התשובה תלויה מאוד בהגדרות. האפקט הפוטואלקטרי התגלה במקור על מתכות. מוליכים למחצה אינם מתכות, ולכן בהחלט אפשר לומר שאין שום קשר בין התופעות בהם לבין התופעות במתכות. מאידך, מהותית מדובר באותה תופעה, אם כי בשני מקרים שונים במקצת שלה. אז שוב: אני לא יודע למה בדיוק מתכוון המראיין, ואיך אפשר לענות מבלי לגרום לכשלון של הסטודנטית בראיון?