HALFGELEIDERS

HALFGELEIDERS
Inleiding
Geleiders
Een geleider is een stof die goed geleidend is, aangezien deze beschikt over vrije elektronen
op zijn buitenste schil. Dit houdt in dat de elektronen gemakkelijk van het ene atoom op het
andere atoom kunnen springen: ze kunnen zich vrij verplaatsen in de geleider.
De meeste geleiders hebben 1 valentie-elektron. Dit is een elektron, dat zich bevindt in een
elektronenschil die nog niet helemaal gevuld is en hierdoor ook gemakkelijk af te geven is.
Door het potentiaalverschil dat aanwezig is tussen plaats A en B gaan de elektronen zich
verplaatsen tussen A en B.
Deze verplaatsing van de ladingsdragers (= de elektronen) veroorzaakt elektrische stroom.
De eenheid van geleidbaarheid is de Siemens (S)
Een grote geleidbaarheid (G) impliceert een kleine weerstand (R).
G is dan ook omgekeerd evenredig met R: G = 1/R
Bij een temperatuursverhoging, zal de weerstand ook vermeerderen: de kernen gaan immers
sneller trillen rond de evenwichtsstand, waardoor de doorgang van de elektronen, en zo dus de
geleiding, bemoeilijkt wordt.
Isolators
Een isolator is echter het tegenovergestelde van een geleider en wordt dan ook een nietgeleider genoemd. Bij een isolator zijn de elektronen niet vrij, maar sterk gebonden aan de
kern. Door deze sterke binding aan de kern zal er bij een potentiaalverschil geen elektrische
stroom gevormd worden, want er vindt geen verplaatsing van elektronen plaats.
Deze verplaatsing is echter ook niet nodig, want een isolator heeft 8 valentie-elektronen, die
in een stabiele verbinding, namelijk de octetstructuur, staan.
Halfgeleiders
Een halfgeleider heeft 4 valentie-elektronen, in tegenstelling tot de isolator die er 8 heeft en
de geleider die er (meestal) 1 heeft.
Enkele voorbeelden van halfgeleiders zijn silicium en germanium.
Halfgeleiders zullen echter niet snel hun elektronen afgeven of andere elektronen opnemen.
Daarom vormen zij atoombindingen, ook covalente bindingen genoemd. Dit betekent dat de
elektronen van de buitenste schil gemeenschappelijk worden gebruikt om de stabiele toestand
te bereiken.
Je vindt zowel intrinsieke als extrinsieke
halfgeleiders.
Intrinsieke halfgeleiders
Als men thermische energie toevoegt aan de halfgeleider kan een elektron zich losmaken en
een geleidingselektron worden: het elektron kan vrij bewegen.
Hoe meer elektronen worden losgemaakt, hoe beter de geleiding.
Bij een stijgende temperatuur, gaat de weerstand van de halfgeleider dan ook verminderen en
de geleiding verbeteren. Dat is raar, want bij een geleider zal de weerstand echter verhogen bij
verwarmen.
De verklaring voor een daling van de weerstand is dat een elektron door de hoge temperatuur
uit het rooster los komt en als geleidingselektron gaat dienen.
Er blijft een ion met 1 elektron te weinig achter waardoor het ion positief geladen is. Dit
wordt een gat, holte of leemte genoemd. Hierdoor verdwijnt echter de stabiele octetstructuur,
waarbij oorspronkelijk 8 elektronen op de schil aanwezig zijn.
Het positief geladen ion zal een elektron van een buur afnemen, die op zijn beurt er een
afneemt van zijn buur. Het lijkt alsof de positieve lading zich verplaatst, maar het is echter de
negatieve lading die zich verplaatst: de verplaatsing van de holten gebeurt immers in de
tegengestelde richting.
Als we op de halfgeleider een spanning zetten door de linkerkant van de halfgeleider aan te
sluiten op de positieve pool van de spanningsbron gaan de vrije elektronen naar de linkerkant
bewegen, die immers positief is door aansluiting op de positieve pool. De holtes schijnen zich
dan ook te verplaatsen naar rechts, naar de negatieve kant.
Extrinsieke halfgeleiders
Extrinsieke halfgeleiders ontstaan door aan een intrinsieke halfgeleider een vreemd atoom toe
te voegen, wat men doteren of doperen noemt. Er bestaan 2 types extrinsieke halfgeleiders.
Een eerste type is het N-type.
Deze wordt gekenmerkt door een 5-waardige onzuiverheid: dit type halfgeleider beschikt over
5 elekronen op zijn buitenste schil. Bij een intrinsieke halfgeleider (die behoort tot groep IVa)
zijn er 4 elektronen op de buitenste schil. Er worden dan ook 4 covalente bindingen
aangegaan met een buur. Hierdoor wordt een kubisch kristalrooster van de intrinsieke
halfgeleider gevormd.
Als men een onzuiverheid van groep Va gaat toevoegen aan een intrinsieke halfgeleider, dit
wil zeggen doneren, zal de onzuiverheid 4 elektronen op zijn buitenste schil gebruiken om in
het rooster van de intrinsieke halfgeleider te passen. De onzuiverheid wordt hier donor
genoemd. Het overblijvend elektron zorgt voor de geleiding: bij elk atoom dat in de
intrinsieke halfgeleider ingebracht wordt, is er dus 1 geleidingselektron beschikbaar.
Hoe meer onzuiverheden in het kristalrooster ingebracht worden, hoe beter de geleiding dan
ook zal zijn. Aangezien de beweeglijke ladingsdragers negatief zijn, wordt dit type het N-type
genoemd. De halfgeleider zelf is echter wel elektrisch neutraal.
Het tweede type is het P-type.
Enkele voorbeelden hiervan zijn indium, boor en aluminium.
Dit type wordt gekenmerkt door een 3-waardige onzuiverheid en beschikt dus over 3
elektronen op zijn buitenste schil.
Als men deze 3-waardige onzuiverheid van groep IIIa gaat toevoegen aan het kristalrooster
van de intrinsieke halfgeleider worden er 3 covalente bindingen aangegaan, terwijl er 1 plaats
over blijft (de intrinsieke halfgeleider behoort immers tot groep IVa).De onzuiverheid neemt
een elektron van zijn buur af en wordt hier dan ook acceptor genoemd. Hierdoor ontstaat er
echter een holte in het intrinsieke gedeelte die positief geladen wordt. Deze halfgeleider zal
op zijn beurt een elektron van zijn buur afnemen enzovoort, waardoor de positief geladen
holtes zich schijnbaar verplaatsen. Vandaar dat dit type de naam P-type gekregen heeft. De
halfgeleider is hier echter opieuw elektrisch neutraal.
Junctiediode
Een junctiediode, of halfgeleiderdiode, gaat een P-type en een N-type extrinsieke halfgeleider
met elkaar in contact brengen.
Bij het in contact brengen van beide types geeft het N-type elektronen af aan het P-type
waardoor het N-type elektrisch positief en het P-type elektrisch negatief wordt. Er ontstaat
een diffusiespanning.
Naast diffusiespanning ontstaat er ook een elektrisch veld. Hoe langer de diffusie duurt, hoe
meer elektronen er gaan bijkomen in de extrinsieke halfgeleider van het P-type (negatiever)
en hoe minder er zijn in de extrinsieke halfgeleider van het N-type (positiever). Daardoor
ontstaan er twee zones en dus ook een elektrisch veld. De elektronen diffunderen van het Ntype naar het P-type, dat al negatief is. De diffusie wordt bemoeilijkt door het groter
wordende elektrisch veld en zal uiteindelijk stoppen. Op dit moment wordt er een evenwicht
tussen het elektrisch veld en de diffusiespanning bereikt.
Het gedrag van een junctiediode in een stroomkring
Een junctiediode is op 2 manieren aan te sluiten aan een spanningsbron: in sperzin en in
doorlaatzin.
Aansluiting in de sperzin: zie bovenstaand schema
De stroomdoorgang wordt versperd.
Het N-type, dat positief geladen is, is immers aangesloten op de positieve pool van de
spanningsbron en het P-type, dat negatief geladen is, is aangesloten op zijn negatieve pool.
De elektronen van de negatieve pool van de spanningsbron, die naar de diode willen gaan,
kunnen dit niet, want die worden naar de p-zone gestuurd, die echter al negatief geladen is.
Er is dus geen stroomdoorgang.
Aansluiting in doorlaatzin: zie onderstaand schema
Er is sprake van stroomdoorgang.
Het positieve N-type is immers aangesloten op de negatieve pool en het negatieve P-type op
de positieve pool van de spanningsbron. Hierdoor kunnen de elektronen van de spanningsbron
gemakkelijk naar de positieve kant van de diode en is er dus stroomdoorgang.
Besluit:
In doorlaatzin gedraagt een junctiediode zich als een weerstand met een zeer lage waarde.
In sperzin gedraagt hij zich dan weer als een weerstand met een zeer hoge waarde.
Grafische voorstelling van een
typische stroomspanningskarakteristiek van
een junctiediode:
LED
LED is de afkorting van Light Emitting Diode, een halfgeleidercomponent die licht uitzendt
als er een elektrische stroom in de doorlaatzin doorheen wordt gestuurd.
Het gaat lang mee en is duurzaam. Daarnaast is er bijna geen sprake van warmteproductie,
waardoor er ook bijna geen energieverlies is.
Bronnen
http://www.google.be/url?sa=t&rct=j&q=geleiding%20van%20vaste%20stoffen&source=we
b&cd=3&ved=0CEYQFjAC&url=http%3A%2F%2Ffysica5.classy.be%2FDownloads%2FGe
leiding%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%2Fhandouts%
2520OA%25201EM%2520Elektronica.ppt&ei=uj6hT6zLGITk4QSYjumzCQ&usg=AFQjCN
EnepfxV1aTdsZvJMB0QdI0XFg_fg
http://www.google.be/#hl=nl&sclient=psy-ab&q=diode+ppt&oq=diode+ppt&aq=f&aqi=gL1gvL3&aql=&gs_l=hp.3..0i19j0i15i19l3.6717.6717.1.7018.1.1.0.0.0.0.108.108.0j1.1.0...0.0.khq
SZFG47x8&pbx=1&bav=on.2,or.r_gc.r_pw.r_qf.,cf.osb&fp=898a01405a1dbde2&biw=1007
&bih=597
http://www.google.be/#hl=nl&gs_nf=1&pq=diode%20ppt&cp=3&gs_id=fg&xhr=t&q=led+p
pt&pf=p&sclient=psy-ab&oq=ledppt&aq=0l&aqi=gl1&aql=&gs_l=&pbx=1&bav=on.2,or.r_gc.r_pw.r_qf.,cf.osb&fp=898a01405a1dbde2&biw=
1007&bih=597
http://nl.wikipedia.org/wiki/Led