Halfgeleider

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.

[bewerk] Verklaring

Silicium is een 4-waardig element, wat inhoudt dat de buitenste elektronenschil van een siliciumatoom 4 elektronen bevat. Zo'n atoom zou graag 8 elektronen om zich heen hebben. Daarom kristalliseert silicium in een vorm waarin elk atoom omgeven is door 4 andere, die elk een elektron met hun buur delen. 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 5-waardig fosforatoom in - het heeft echter maar 4 elektronen nodig, zodat één elektron niet wordt gebruikt. Het heet ook een vrij elektron en draagt zorg voor enige geleiding: halfgeleiding. Verontreinigen we met 3-waardige booratomen, dan probeert dat 5 elektronen te lenen, één meer dan de buren willen delen. Daarom gaan die ook weer op zoek, waardoor er steeds ergens een soort tekort is. Zo'n tekort noemen we een gat. 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.

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

• Amorf silicium Si
• Germanium Ge
• Gallium arsenide (GaAs)
• koperindiumselenide (CuInSe₂)
• Indiumfosfide (InP)
• Galliumnitride GaN

Zie ook: Wide-bandgap halfgeleider