Halfgeleiders Inleiding Onder geleiding verstaat men de

Halfgeleiders
1. Inleiding
Onder geleiding verstaat men de verplaatsing van ladingdragers. Een geleider is
een stof dat 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.
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.
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 kant.
De 4 elektronen in de buitenste schil gaan een coövalente binding aan met hun
buur zodat er een kubisch kristalrooster verschijnt.
3. Extrinsieke halfgeleiders
Extrinsieke halfgeleiders ontstaan door aan intrinsieke halfgeleiders een vreemd
atoom 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. De 5waardige 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. 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. Bij het p-type zijn de vrije ladingen positief geladen. Ze
bewegen rond de negatieve vaste roosterionen. Bij het n-type zijn de vrije
ladingen negatieve elektronen. Ze bewegen rond de positieve vaste roosterionen.
Kort: n-gebied in die contactzone bevat nog enkel positieve roosterionen
p-gebied in die contactzone bevat nog enkel negatieve roosterionen
De elektronen diffunderen van n-type naar p-type. Die van het p-type worden
alsmaar negatiever en die van het n-type worden alsmaar positiever. Zo ontstaat
een elektrisch veld en diffusiespanning over die laag die verdere diffusie
bemoeilijkt. Er ontstaat een evenwicht.
Het gedrag van een junctiediode in een stroomkring is afhankelijk van de zin.
Is de aansluiting in sperzin, dan wordt de stroomdoorgang versperd.
Hetjunctiediode 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 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