Halfgeleiders_23 mei.

Inleiding
In ons dagelijks leven maken wij veel gebruik van elektriciteit. De ene stof geleidt dit wel, de andere
stof geleidt het dan weer niet. Maar er is nog een middenweg: de halfgeleider. In dit document leg ik
kort uit wat de twee verschillende soorten halfgeleiders zijn en wat een junctiediode is.
Geleiders- isolatoren
Een geleider is een stof die goed geleidt. Om dit te kunnen moet hij een lage weerstand hebben. Hoe
lager de weerstand, hoe beter de geleiding. Deze wordt veroorzaakt door vrije elektronen. Deze
springen gemakkelijk van het ene atoom naar het andere. Ze verplaatsen zich dus vrij in de geleider.
Geleiders hebben meestal één valentie-elektron per atoom. Een valentie-elektron is een elektron dat
zich bevindt in een nog niet helemaal gevulde elektronenschil. Hierdoor is deze gemakkelijk af te
geven.
Door de elektronen die zich verplaatsen, wordt er elektrische stroom gevormd: de ladingsdragers
verplaatsen zich. Maar waarom verplaatsten de elektronen zich? De oorzaak van de verplaatsing is
een potentiaalverschil. Door dit potentiaalverschil tussen twee punten a en b verplaatsen de
elektronen zich tussen deze punten.
Het tegengestelde van een geleider is een niet-geleider of isolator. Hierbij zijn de elektronen sterk
gebonden aan de kern. Wanneer er een potentiaalverschil is, zal er dus ook geen elektrische stroom
gevormd worden. Een isolator heeft dan ook acht valentie-elektronen. Deze staan in een stabiele
verbinding, de octetstructuur, en zullen dus niet
gemakkelijk verplaatsen.
Een speciaal geval is de halfgeleider. Deze hebben vier
valentie-elektronen, maar gaan niet makkelijk
elektronen afgeven of opnemen. Daarom gaan ze een
atoombinding of covalente binding aan. Dit betekent
dat atomen op de buitenste schil gemeenschappelijk
gebruikt worden. Voorbeelden van halfgeleiders zijn
silicium en germanium.
Intrinsieke halfgeleider:
Wanneer men thermische energie toevoegt aan een halfgeleider kan een elektron zich losmaken en
wordt deze een geleidingselektron. Hoe meer elektronen zich losmaken, hoe beter de geleiding is.
Hieruit volgt dus dat wanneer de temperatuur stijgt, de weerstand van de halfgeleider afneemt. En
dat is raar want als je bij een gewone geleider de temperatuur laat stijgen, zal de weerstand
vermeerderen. De kernen gaan namelijk harder trillen, wat de doorgang van de elektronen
bemoeilijkt.
Door de vorming van een geleidingselektron blijft er een ion met een elektron te weinig achter. Dit
ion is dus positief geladen en wordt een gat, holte of leemte genoemd. Hierdoor verdwijnt ook de
octetstructuur, wat het ion niet erg aangenaam vindt. Daarom gaat deze een elektron stelen van zijn
buur, die dan weer hetzelfde doet. De negatieve lading verplaatst zich dus in dit geval, maar het lijkt
alsof de positieve lading zich verplaatst.
We sluiten de linkerkant van de halfgeleider aan op de positieve pool van een spanningsbron. De
vrije elektronen gaan dan naar de linkerkant bewegen, die positief geworden is. De holten lijken zich
dus naar rechts te bewegen, maar de werkelijke verplaatsing is in de omgekeerde richting.
Extrinsieke halfgeleider:
Er zijn 2 types extrinsieke halfgeleiders. Beide types worden gemaakt door aan een intrinsieke
halfgeleider een vreemd atoom of onzuiverheid toe te voegen. Dit noemt men doteren of doperen.
Allereerst is er het n-type. Dit heeft een vijfwaardige onzuiverheid, wat betekent dat de
onzuiverheid vijf elektronen op de buitenste schil heeft. De intrinsieke halfgeleider behoort tot groep
vier, wat betekent dat deze vier valentie-elektronen heeft. De onzuiverheid gebruikt dan vier
elektronen om in het rooster van de halfgeleider te passen, maar heeft er dus één op overschot. We
noemen de onzuiverheid een donor. Deze vormt dan een kubisch kristalrooster.
Het elektron dat overblijft, dient voor de geleiding. Bij elk atoom dat wordt ingebracht in de
intrinsieke halfgeleider is er dus een één geleidingselektron beschikbaar. Hoe meer er zijn, hoe beter
de geleiding is. Het n-type wordt dus een negatieve donor genoemd, omdat de beweeglijke
ladingsdragers negatief zijn. Maar, de halfgeleider op zich is wel elektrisch neutraal.
Dan is er ook nog het p-type. Deze heeft een driewaardige onzuiverheid, met dus drie elektronen op
de buitenste schil. Enkele voorbeelden hiervan zijn aluminium, boor en indium. Er worden drie
bindingen gevormd, maar er blijft één bindingsplaats over, aangezien de intrinsieke halfgeleider tot
groep vier behoort. De onzuiverheid wordt hier een acceptor genoemd, want deze neemt een
elektron van zijn buur af. Hierdoor wordt deze een holte, die zich lijkt te verplaatsen, en dus positief
geladen. Maar ook hier is de halfgeleider zelf elektrisch neutraal.
Junctiediode
Een junctiediode of halfgeleiderdiode brengt de twee types extrinsieke halfgeleiders met elkaar in
contact.
Bij het in contact brengen ontstaat er een diffusiespanning. De elektronen diffunderen dus van het ntype naar het p-type: het n-type wordt elektrisch positief, het p-type elektrisch negatief. Daardoor
ontstaat er ook een elektrisch veld. Hoe langer de diffusie duurt, hoe meer elektronen bijkomen in
het p-type en hoe minder er zijn in het n-type. Daardoor ontstaan er twee zones en dus ook een
elektrisch veld. De diffusie wordt moeilijker door het elektrisch veld dat ontstaan is en stopt
uiteindelijk. Op dit moment ontstaat er een evenwicht tussen het elektrisch veld en de
diffusiespanning.
Gedrag junctiediode in stroomkring
Een junctiediode kunnen we op twee manieren aansluiten aan een spanningsbron: in sperzin en in
doorlaatzin.
Als we de junctiediode aansluiten in sperzin is de stroomdoorgang versperd. We hebben namelijk het
n-type, dat positief geladen is, aangesloten op de positieve pool van de bron en het p-type, dat
negatief is, aangesloten op de negatieve pool. De elektronen van de negatieve pool van de
spanningsbron willen naar de diode gaan, maar dit lukt niet, aangezien de p-kant al negatief geladen
is.
Als we de junctiediode aansluiten in doorlaatzin is er wel stroomdoorgang. We sluiten de positieve
kant, het n-type, aan op de negatieve pool van de bron en de negatieve kant, het p-type, op de
positieve pool. De elektronen van de spanningsbron kunnen gemakkelijk naar de positieve kant van
de diode. Hierdoor is er dus stroomdoorgang.
Sperzin
Doorlaatzin
We kunnen dus besluiten dat een junctiediode zich in doorlaatzin gedraagt als een weerstand met
een zeer lage waarde, en in sperzin als één met een zeer hoge waarde.
LED
LED is de afkorting voor light emitting diode. Dit is een halfgeleidercomponent die licht uitzendt als
er een elektrische stroom in doorlaatzin doorheen gestuurd wordt. Het is zeer duurzaam en gaat lang
mee. Daarnaast is er ook bijna geen warmteproductie en dus ook bijna geen energieverlies.
Typische stroom-spanningskarakteristiek van junctiediode
Bronnen:
http://www.google.be/url?sa=t&rct=j&q=geleiding%20van%20vaste%20stoffen&source=web&cd=3
&ved=0CEYQFjAC&url=http%3A%2F%2Ffysica5.classy.be%2FDownloads%2FGeleiding%2520van%252
0vaste%2520stoffen.ppt&ei=QKdhT7vLIYWo8QPasWoCA&usg=AFQjCNG6HXYHJy7B5a1WTc8brMmcM9Ox_w&cad=rja
http://www.google.be/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CD4QFjAB&url=http%3
A%2F%2Fdocweb.khk.be%2FPeter%2520Mertens%2Fbestanden%2Fhandouts%2520OA%25201EM%
2520Elektronica.ppt&ei=uj6hT6zLGITk4QSYjumzCQ&usg=AFQjCNEnepfxV1aTdsZvJMB0QdI0XFg_fg
http://nl.wikipedia.org/wiki/Halfgeleider_(elektronica)