Halfgeleider (vastestoffysica)

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
structuur van geleidings- en valentiebanden

Een halfgeleider is een stof die qua elektrische geleiding het midden houdt tussen een geleider en een isolator. Qua structuur is hij eigenlijk een isolator, maar hij is gemakkelijk tot geleiding te krijgen, waarbij bovendien de elektrische eigenschappen goed manipuleerbaar zijn door bijvoorbeeld sporen van andere stoffen toe te voegen.

Met halfgeleiders kunnen allerlei elektronische componenten worden gemaakt. Elektronici noemen dergelijke halfgeleidercomponenten meestal kortheidshalve „halfgeleiders”.

Nadere uitleg[bewerken]

Elektronen zijn fermionen, dat wil zeggen deeltjes met een asymmetrische golffunctie. Dientengevolge kunnen elektronen in een atoom in één bepaald energieniveau zich vanwege het zogenaamde uitsluitingsprincipe van Pauli slechts twee elektronen bevinden, met tegengestelde spin. In een vaste stof zitten de atomen veel dichter opeen dan in een gas, waardoor de golffuncties van hun buitenste elektronen elkaar in meer of mindere mate gaan overlappen. Dit leidt tot een wisselwerking die zich over alle atomen van het rooster uitstrekt. Afhankelijk van de sterkte van de interactie leidt dit tot een extreme mate van delokalisatie van deze buitenste elektronen. Een elektron bevindt zich dan niet langer in een baan die bij één atoom behoort, maar in een baan die zich over het gehele kristal uitstrekt.

Schematische weergave van de dispersie bij condensatie

Het extreme geval van deze overlapping van golffuncties is te vinden bij een metaal als cesium. In dit geval gaan de buitenste elektronen – oorspronkelijk van elk cesiumatoom het ene buitenste s-elektron – zich gedragen als een soort ‘gas’ van vrije elektronen, omdat zij zich geheel vrij en onafhankelijk van elkaar door het gehele kristal kunnen bewegen, net als de moleculen van een ideaal gas. De invloed van de kristalstructuur komt tot uiting in de afwijkende effectieve massa die men aan deze elektronen moet toekennen om deze beschrijving als een elektronengas praktisch bruikbaar te maken.

Dit heeft tot gevolg dat de oorspronkelijk identieke energieniveaus van de losse atomen samenvloeien tot een energieband. Dit verschijnsel noemt men dispersie (niet te verwarren met de optische betekenis van dit woord). De dispersie hangt sterk af van de mate van overlapping en is dus in de regel het sterkst als de band opgebouwd wordt uit s-niveaus en het zwakst bij f-niveaus. In de schematische figuur zijn slechts vijf buuratomen weergegeven, maar zelfs in een heel klein kristal zijn er al vele miljarden. Tussen deze energiebanden liggen verboden zones (ook wel energiekloven genoemd; Engels: band gaps). De opeenstapeling van deze kloven en energiebanden wordt de bandenstructuur van die stof genoemd.

De verdelingsdichtheid van de elektronen over de energieniveaus is de Fermi-Diracverdeling. Het hoogste energieniveau waar zich bij het nulpunt van de absolute temperatuur (0 K) nog elektronen bevinden, wordt het Fermi-niveau genoemd. Als de geleidingsband (zie hieronder) zich geheel boven dit niveau bevindt, is er bij 0 K geen elektrische geleiding mogelijk. De geleidbaarheid van halfgeleiders is in het algemeen dan ook sterk temperatuurafhankelijk.

Valentieband, geleidingsband[bewerken]

Als het Fermi-niveau in een verboden zone ligt, wordt de hoogste band onder het Fermi-niveau de valentieband genoemd, en de laagste band boven het Fermi-niveau de geleidingsband. De valentieband ontleent zijn naam aan het feit dat het juist deze elektronen – de valentie-elektronen – zijn die voor de binding tussen de atomen zorgen; hun aantal per atoom bepaalt de zogenaamde valentie van dat atoom. De elektronen in de geleidingsband worden geleidingselektronen genoemd. Bij een temperatuur van 0 kelvin is de valentieband vol en de geleidingsband leeg.

Invloed op elektrische geleiding[bewerken]

Isolatoren[bewerken]

Verboden zone of bandkloof (Engels: ‘band gap’) bij metalen, halfgeleiders en isolatoren

Als de verboden zone zo „breed” is dat er nauwelijks elektronen van de valentieband naar de geleidingsband kunnen komen – dat is ruwweg het geval wanneer de verboden zone veel breder is dan de thermische energie van de elektronen – is de betreffende stof een isolator.

Geleiders[bewerken]

Als het Fermi-niveau zich binnen een energieband bevindt, hoeft er maar heel weinig energie te worden toegevoegd om wat elektronen naar een hoger niveau te brengen, waar ze meer bewegingvrijheid hebben en daardoor elektrische geleiding mogelijk maken. Men zou dus kunnen zeggen dat de geleidingsband en de valentieband samenvallen. Dergelijke stoffen heten geleiders. Aangezien de geleidingselektronen – naast de zogenaamde roostertrillingen – ook aanzienlijk bijdragen aan het warmtetransport, zijn deze stoffen gewoonlijk ook goede warmtegeleiders. Dit betreft vooral metalen, hoewel er op het gebied van geleidende polymeren ook grote vooruitgangen zijn geboekt.

Halfgeleiders[bewerken]

Als de verboden zone niet al te breed is – typisch niet breder dan de thermische energie van de elektronen –, kan er gemakkelijk een elektron van de valentieband over de verboden zone heen naar de geleidingsband springen, doordat het energie van buitenaf opneemt (bijvoorbeeld warmte-energie, fotonen, etc.) Hierdoor ontstaat er in de valentieband een gat. Een naburig valentie-elektron kan in dat gat springen, met als gevolg dat er nu even verderop een gat zit. Zodoende kan dit gat zich verplaatsen en zich daarmee als een positieve ladingsdrager gedragen. Immers elektronen zijn zelf negatief, en waar een elektron ontbreekt, wordt de positieve lading van de atoomkern net niet gecompenseerd. Geleiding door verplaatsing van een gat wordt p-geleiding genoemd. Als een elektron in de geleidingsband zich verplaatst, heet dat n-geleiding. Door sporen van bepaalde stoffen (doteringen of dopes) aan het kristal toe te voegen, kan hetzij de n-geleiding, hetzij de p-geleiding worden bevorderd. Meer hierover is te vinden in het artikel Halfgeleider (elektronica).

Of de geleiding overwegend door elektronen dan wel door gaten plaatsvindt, kan onder andere worden bepaald door middel van het Hall-effect.

Invloed temperatuur op geleiding[bewerken]

Als metalen warmer worden, gaan de toenemende roostertrillingen het elektronentransport steeds meer hinderen. Daardoor neemt de elektrische weerstand toe (positieve temperatuurcoëfficiënt). Bij halfgeleiders gebeurt dit weliswaar ook, maar daar komen door de hogere temperatuur tevens veel meer geleidingselektronen beschikbaar. Daar dit laatste effect veel sterker is dan dat van de roostertrillingen, daalt hier juist de elektrische weerstand (negatieve temperatuurcoëfficiënt). Dit is een karakteristiek kenmerk van halfgeleiders.

Organische halfgeleiders[bewerken]

Er zijn ook organische halfgeleiders. Dat zijn organische stoffen met halfgeleidende eigenschappen, zoals antraceen en rubreen.

Zie ook[bewerken]