517,7 kB - Indi

Halfgeleiders
1. Inleiding
Onder geleiding verstaat men de verplaatsing van ladingdragers. Een geleider is
een stof die goed geleid. Wanneer de geleidbaarheid (G) groot is, dan is de
weerstand (R) klein: G=1/R
De eenheid van G is de Siemens.
Een geleider heeft vrije elektronen op zijn buitenste schil. Deze
kunnen zich vrij bewegen van de ene atoom naar de andere.
Wanneer een elektron zich van A naar B verplaatst, is er tussen
A en B een potentiaalverschil nodig.
De weerstand van een geleider verhoogt bij een
temperatuursverhoging: de kernen trillen veel harder rond de
evenwichtsstand en de doorgang voor de elektronen wordt
moeilijker
Een isolator is dan weer het tegenovergestelde van een geleider. De elektronen
zitten vast aan de schil. Een isolator heeft dus geen vrije elektronen. Ondanks
het potentiaalverschil is er geen verplaatsingen van elektronen. Er is dus ook
geen sprake van stroom. Een isolator heeft 8 elektronen en bevindt zich in een
stabiele toestand. Een valentie-elektron bevindt zich op de elektronenschil van
een atoom dat zich nog niet in een stabiele toestand bevindt. Deze gaat een
binding aangaan met een ander atoom. Bij 9 elektronen gaat hij een elektron
afgeven bij 7 elektronen gaat hij er één opnemen.
De halfgeleider is een speciaal geval. Deze stof heeft 4
elektronen op de buitenste schil. Voorbeelden van halfgeleiders
zijn germanium en silicium (elementen van groep 4).
Halfgeleiders gaan niet snel elektronen afgeven of opnemen. Ze
gaan wel atoombindingen aangaan, dat wil zeggen dat
verschillende atomen de elektronen van de buitenste schil
gemeenschappelijk gaan gebruiken om in stabiele toestand te
komen.
De 4 elektronen in de buitenste schil gaan een covalente binding aan met hun
buur zodat er een kubisch kristalrooster verschijnt.
2. Intrinsieke halfgeleider
Wanneer men thermische energie (warmte) toevoegt, zorgt dat ervoor dat
elektronen toch kunnen bewegen. Zo’n elektron dat zich kan losmaken wordt een
geleidingselektron of een vrij elektron genoemd.
Bij een stijgende temperatuur gaat de weerstand van de halfgeleider
verminderen en de geleiding dus vermeerderen. Er blijft een positief geladen ion
zonder elektron achter. We noemen deze lege ruimte een leemte.
Wanneer we een spanningsbron toevoegen gebeurt er het volgende:
Deze positief geladen ion neemt dan een elektron van zijn buur, die dan op zijn
beurt ook een elektron pikt van zijn buur. Het lijkt alsof de positieve lading zich
verplaatst. Let wel op dat de verplaatsing van de holte in de tegengestelde
richting gebeurt. Holtes verplaatsen zich schijnbaar naar rechts, naar de
negatieve pool.
3. Extrinsieke halfgeleiders
Extrinsieke halfgeleiders ontstaan door aan intrinsieke halfgeleiders een vreemd
atoom, namelijk een onzuiverheid, toe te voegen. We noemen dit ‘doteren’.
Er bestaan 2 types extrinsieke halfgeleiders:
Allereerst is er het n-type. Deze heeft een 5-waardige onzuiverheid. Dit wil
zeggen dat deze halfgeleider beschikt over 5 valentie-elektronen in de buitenste
schil, waarvan 1 niet gekoppeld wordt in de intrinsieke halfgeleider. Dit elektron
gaat dienst doen als geleidingselektron. De 5-waardige onzuiverheid (=donor)
gaat dus doneren. Per atoom dat wordt ingebracht is dus 1 geleidingselektron
beschikbaar. Hoe meer er zijn, hoe beter de geleiding. Het n-type dankt zijn
naam dus aan de beweeglijke ladingsdragers die negatief zijn. De halfgeleider
zelf is echter elektrische neutraal.
Het p-type heeft een 3-waardige onzuiverheid. Voorbeelden zijn indium, boor en
aluminium. Deze halfgeleider komt dus een elektron te kort wanneer hij zich
inpast in het kristalrooster. Hij gaat deze pikken van zijn buur. Op dat moment
heeft die buur een elektron te weinig. Er ontstaat een holte. Die holte is positief
geladen, vandaar de naam p-type. De holtes verplaatsen zich schijnbaar, maar dit
behoort tot het intrinsieke gedeelte.
4. Junctiediode
>jungere: verbinden
Een junctiediode of halfgeleiderdiode gaat het p-type en het n-type met elkaar
in contact brengen. De elektronen diffunderen van n-type naar p-type. Het ptype wordt alsmaar negatiever en het n-type worden alsmaar positiever. Er
ontstaat een elektrisch veld. De diffusiespanning over die laag bemoeilijkt
verdere diffusie aangezien de elektronen minder aangetrokken worden door de
p-zone die al negatief is. Er ontstaat een evenwicht.
Het gedrag van een junctiediode in een stroomkring is afhankelijk van de
stroomzin.
Is de aansluiting in sperzin, dan wordt de stroomdoorgang versperd. De
junctiediode gedraagt zich als een weerstand met een zeer hoge waarde.
Gaan we het n-type (positief geladen) aansluiten op de positieve pool van de
spanningsbron, dan is er geen stroomdoorgang.
Is de aansluiting in doorlaatzin, dan gedraagt het junctiediode zich als een
weerstand met een zeer lage waarde. Gaan we het p-type (negatief geladen)
aansluiten op de positieve pool van de spanningsbron, dan is er stroomdoorgang.
Hier een grafische voorstelling van een typische stroom-spanningskarakteristiek
van een junctiediode:
5. LED
Een LED is een halfgeleidercomponent die licht uitzendt als er een elektrische
stroom in de doorlaatrichting doorheen wordt gestuurd. Het heeft bijna geen
energieverlies aangezien er ook bijna geen warmteverlies is.
BRONNEN
fysica5.classy.be/Downloads/Diode.ppt
users.telenet.be/fysicaklas2/.../pres52_deel01_hoofdstuk07.ppt
http://nl.wikipedia.org/wiki/Valentie-elektron
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%2F
Geleiding%2520van%2520vaste%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%3A%2F%2Fdocweb.khk.be%2FPeter%2520Mertens%2Fbestanden%2Fhandout
s%2520OA%25201EM%2520Elektronica.ppt&ei=uj6hT6zLGITk4QSYjumzCQ&usg=AFQ
jCNEnepfxV1aTdsZvJMB0QdI0XFg_fg