Halfgeleider

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie

Ga naar: navigatie, zoeken

Een halfgeleider is een materiaal met bijzondere elektrische eigenschappen, gevormd door een niet-geleidende stof als silicium (Si) te voorzien van kleine hoeveelheden van bepaalde toevoegingen. Met combinaties van bepaalde halfgeleiders kunnen elektrische componenten als diodes, transistors en geïntegreerde schakelingen (chips) worden gemaakt.

Vroeger kende men voor elektriciteit geleiders (voornamelijk metalen) en -niet-geleiders (zoals zand en de meeste organische stoffen). Halverwege de 20e eeuw ontdekte men dat een niet-geleider als silicium (Si) (gewonnen door reductie van zeer zuiver zand SiO2), enigszins geleidend gemaakt kon worden door 'verontreinigingen' van kleine hoeveelheid van stoffen zoals fosfor en boor. Men noemde dit een halfgeleider. De geleiding vindt zijn oorzaak in zogenaamde vrije ladingsdragers die door de verontreiniging in het kristal ingebracht zijn. Zijn deze vrije ladingsdragers positief dan spreekt men van p-silicium, zijn ze negatief dan van n-silicium. De combinatie van p- en n-halfgeleiders vormt de basis voor componenten als diode, transistor en de geïntegreerde schakeling (chip). In tegenstelling tot de meeste geleiders neemt de elektrische geleidbaarheid van een halfgeleider toe bij temperatuurverhoging. De warmte geeft de elektronen voldoende energie om te bewegen waardoor er elektrische geleiding ontstaat.

Inhoud

[bewerken] Verklaring

Silicium is een vierwaardig element, wat inhoudt dat de buitenste elektronenschil van een siliciumatoom vier elektronen bevat. Zo'n atoom zou graag acht elektronen om zich heen hebben. Daarom kristalliseert silicium in een vorm waarin elk atoom omgeven is door vier andere, die elk een elektron met hun buur delen. Er worden covalente bindingen aan gegaan. Een mooie stabiele configuratie en weinig reden voor de elektronen om aan geleiding te doen.

Bouwen we echter op enkele plaatsen in het kristal een verontreiniging in de vorm van een vijfwaardig fosforatoom in - het heeft echter maar vier elektronen nodig, zodat één elektron niet wordt gebruikt. Doordat dit elektron geen covalente binding kan aangaan, zorgt het voor de (half)geleiding. Verontreinigen we met driewaardige booratomen, dan probeert dat vijf elektronen te lenen, één meer dan de buren willen delen. Daardoor gaan die ook weer op zoek, waardoor er steeds ergens een tekort is. Zo'n tekort noemen we een gat, holte of leemte. Er zijn dus vrije gaten, die een zekere geleiding verzorgen (elektronen die steeds van gat naar gat springen).

Fosfor en boor zijn veelgebruikte elementen om silicium mee te verontreinigen, wat doperen of doteren genoemd wordt. Fosfor is een donor van elektronen en boor een acceptor. Met fosfor gedoteerd silicium wordt n-silicium genoemd, omdat er een overschot is aan geleidingselektronen. Met boor gedoteerd spreken we van p-silicium, omdat er een tekort is aan elektronen, wat we beschrijven als een overschot aan (positieve) gaten. De belangrijkste toepassing ontstaat als men p-silicium en n-silicium in elkaar laat overgaan. Er ontstaat een zogenaamde pn-overgang. In de grenslaag zullen de elektronen uit het n-silicium die toch niets te doen hebben een kijkje nemen in het p-silicium waar ze erg gevraagd zijn. Het gevolg is een zone zonder vrije ladingsdragers, de uitputtingszone. Een laagje n-silicium blijft met een tekort aan elektronen achter, dus positief geladen en een aansluitend laagje p-silicium heeft extra elektronen en is dus negatief geladen. Er zijn geen elektronen meer die van hun plaats willen, de pn-overgang geleidt niet. Leggen we een spanning aan tussen het n- en p-silicium, dan zal afhankelijk van de polariteit de uitputtingszone vergroot worden, dus geen stroom doorlaten, of zullen de elektronen teruggedreven worden, zodat na overwinnen van een drempelspanning geleiding optreedt: we hebben een siliciumdiode.

[bewerken] N-type halfgeleider

Hierbij wordt een vijfwaardige onzuiverheid (uit de Va groep) aan de halfgeleider toegevoegd. D.m.v. promotie kan de vijfwaardige onzuiverheid met 4 atomen binden, het vijfde valentie-elektron is echter zwak gebonden aan de Fosfor. Het wordt makkelijk losgelaten en wordt een vrij elektron en komt dus in de conductieband terecht. Het is door deze vrije elektronen dat een N-type halfgeleider stroom kan geleiden. De vijfwaardige Fosfor atomen worden donoren genoemd omdat zij elektronen aan de geleidingsband geven.

[bewerken] P-type halfgeleider

Hier wordt een driewaardige onzuiverheid (uit de IIIa groep) aan de halfgeleider toegevoegd. Het atoom gaat 3 bindingen met Silicium aan, maar wilt een octetstructuur bereiken. Door een elektron af te nemen van een naburig halfgeleider atoom kan de binding volledig worden gemaakt. Bijgevolg krijg je een holte waar een valentie-elektron is weggehaald bij het silicium atoom. In die holte kan een vrij ongepaard valentie elektron springen en ontstaat er een nieuwe holte waar het valentie elektron vandaan kwam. Het is door het opschuiven van die holte dat een P-type halfgeleider stroom kan geleiden. Het driewaardige Boor atoom wordt de acceptor genoemd omdat het elektronen opneemt waardoor gaten ontstaan.



Hoewel kristallijn silicium de meest bekende en meest gebruikte halfgeleider is, zijn er andere die ook toegepast worden, zoals:

[bewerken] Zie ook

Wikimedia Commons
 
Persoonlijke instellingen
Boek maken