Halfgeleiders

Wat is een halfgeleider?

Om te beginnen zijn er een aantal soorten halfgeleiders. De meest gebruikte grondstoffen voor halfgeleiders zijn silicium, germanium en koolstof. Silicium wordt het vaakst gebruikt omdat deze stof het zuiverst is en er het meest over bekend is. De veelgebruikte halfgeleidergrondstofatomen bevatten in hun buitenste elektronenring 4 elektronen. Omdat het atoom graag deze elektronenschil vol wil hebben gaat ze met andere siliciumatomen een 'rooster' vormen waardoor ze grote overeenkomsten krijgen met metalen. Let wel: er zijn geen vrij bewegende elektronen; dus er is geen stroomgeleiding. Het siliciumkristal is isolerend, door het toevoegen van een kleine hoeveelheid verontreiniging ontstaat een halfgeleider. De verontreiniging is van grote invloed op de eigenschappen van de halfgeleider. Door een atoom met 5 elektronen, vaak fosfor of arseen aan het siliciumrooster toe te voegen ontstaan er vrije elektronen. Deze verontreiniging heet het N-type. Omdat een halfgeleider elektrisch neutraal is, wordt er dus nog een ander soort atoom met 3 elektronen in de buitenste schil, boor of gallium, aan het rooster toegevoegd. Door deze verontreinig wordt de lading als geheel weer neutraal. . Fosfor of arseen is dus een donor van elektronen en boor of gallium een acceptor.

Door p-silicium en n-silicium in elkaar over te laten gaan krijgt men een PN overgang deze is in de ene richting geleidend en de andere richting niet. In de grenslaag zullen elektronen uit het n-silicium door thermische beweging in het p-silicium terechtkomen, waar ze meteen in gaten worden gebonden. Het gevolg is dat er een zone zonder vrije ladingsdragers ontstaat,dit noemen we de uitputtingszone. Een laagje n-silicium blijft met een tekort aan elektronen achter, dus positief geladen, en het aangrenzende 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 zekere drempelspanning (silicium ca 0,6 V) geleiding optreedt. De pn-overgang is dus in de ene richting geleidend en in de andere niet.