Voorbeeld van halfgeleidermaterialen

Afhankelijk van hun vermogen om elektrische stroom te geleiden, worden materialen onderverdeeld in drie categorieën: geleiders, isolatoren en halfgeleiders. Het meest prominente voorbeeld van geleiders zijn metalen, zoals koper Cu, aluminium Al en zilver Ag; en van de isolatoren de polymeren en het glas. Vervolgens komt de derde klas aan bod: halfgeleiders.

De elektrische eigenschappen van halfgeleiders behoren tot die van isolatoren en geleiders.Silicium Si en Germanium Ge zijn bekende voorbeelden van halfgeleiders die vaak worden gebruikt bij de vervaardiging van een verscheidenheid aan elektronische apparaten.. De elektrische eigenschappen van halfgeleiders kunnen met verschillende ordes van grootte worden veranderd, waardoor gecontroleerde hoeveelheden vreemde atomen aan de materialen worden toegevoegd.

Halfgeleiders gedragen zich als isolatoren bij lage temperaturen, maar als dit wordt verhoogd, gedragen ze zich als geleiders. Deze dualiteit van geleidbaarheid is te wijten aan het feit dat de valentie-elektronen van het materiaal enigszins gebonden zijn aan hun respectieve kernen. atomair, maar niet genoeg, zodat ze door de stijging van de temperatuur het atoom kunnen verlaten om door het atoomrooster van de materiaal. Zodra een elektron een atoom verlaat, laat het een gat achter dat kan worden gevuld door een ander elektron dat in het rooster circuleert.

Dit is het geval voor de eerder genoemde chemische elementen, Silicium Si en Germanium Ge, die op hun laatste niveau vier valentie-elektronen hebben. Opgemerkt moet worden dat, om energie aan het halfgeleidermateriaal toe te voegen, naast warmteoverdracht, licht kan worden toegepast.

Om het gedrag van halfgeleidermaterialen beter te begrijpen, zal de Theory of Bands worden gebruikt.

Bandtheorie

 Het concept van Valencia-band, de geaccumuleerde energie van valentie-elektronen.

Bovendien behandelt deze theorie de definitie van Geleidingsband, als de energie samen die elektronen aan hun atomen moeten onttrekken. De elektronen in de geleidingsband kunnen door het materiaal circuleren als er een elektrische spanning is die ze tussen twee punten drijft.

Op basis van de twee Bands zullen de gevallen van Conductor, Insulator en Semiconductor worden bestudeerd om een ​​perspectief voor de laatste te hebben.

Voor een dirigent is de energie van de Valencia-band groter dan die van de elektronen van de geleidingsband. Op zo'n manier dat de banden elkaar overlappen en veel Valencia-elektronen heel gemakkelijk op de Conductie worden geplaatst, en dus met de mogelijkheid om in het midden te circuleren.

Voor een isolator daarentegen is de energie van de geleidingsband veel groter dan de energie van de Valencia-band. Hier is er een opening tussen de Valencia Band en de Conductie Band, zodat de Valencia elektronen geen toegang hebben tot de Conductie Band die leeg zal zijn. Daarom geleidt de isolator niet. Alleen bij hoge temperaturen kunnen deze materialen geleidend zijn.

In het geval van halfgeleiders is de geleidingsband nog steeds groter dan de Valencia-band, maar de kloof tussen de twee is aanzienlijk kleiner, zodat met een energetische toename de Valencia-elektronen naar de geleidingsband springen en door het medium kunnen circuleren. Wanneer een elektron van de Valencia Band naar de Conductie Band springt, laat het een ei achter in de Valencia Band dat ook wordt beschouwd als een drager van elektrische stroom.

In halfgeleiders worden twee soorten elektrische stroomdragers onderscheiden: negatief geladen elektronen en gaten positief geladen.

Soorten halfgeleiders 

Er zijn twee klassen van halfgeleiders op basis van hun zuiverheid. Halfgeleidermaterialen in hun zuivere staat staan ​​bekend als intrinsieke halfgeleiders; en er zijn extrinsieke halfgeleiders, die puur zijn maar verontreinigd met onzuiverheden in minuscule proporties, zoals één deeltje op elke miljoen.

Dit besmettingsproces wordt Doping genoemd, wat zich op zijn beurt in twee soorten manifesteert.

Het eerste type doping is Type N, waarin het materiaal is verontreinigd met valentie 5 atomen, zoals Phosphorus P, Arsenic As of Antimoon Sb. Door het vijfde valentie-elektron in de structuur van vierwaardige atomen, wordt gedwongen door het halfgeleidermateriaal te dwalen, zonder een stabiele plaats te vinden waar Geplaatst worden. De verzameling van deze dwalende elektronen wordt Majority Electrons genoemd.

Het tweede type doping is type P, waarin het halfgeleidermateriaal is verontreinigd met valentieatomen 3, zoals Borium B, Gallium Ga of Indium In. Als dit atoom in het materiaal wordt ingebracht, blijft er een gat over waar een elektron moet gaan. Het gat beweegt gemakkelijk door de structuur van het materiaal, alsof het een drager van positieve lading is. In dit geval zijn de gaten Majority Carriers.

Halfgeleidertoepassing: Diode

De diode is een elektronische component die bestaat uit de vereniging van twee extrinsieke halfgeleiderkristallen, een van het type N en de andere van het type P. Wanneer ze worden samengevoegd, gaat een deel van de overtollige N-type elektronen naar het P-type kristal en een deel van de P-type gaten naar het N-type kristal. Op de kruising wordt een strook gecreëerd die de overgangszone wordt genoemd en die een elektrisch veld heeft dat zich gedraagt ​​​​als een barrière die de doorgang van meer elektronen van zone N naar zone P en van gaten van zone P naar zone tegengaat N.

Wanneer een diode is aangesloten op een batterij, doen zich twee verschillende gevallen voor: Forward Bias en Reverse Bias.

Bij directe polarisatie is de positieve pool verbonden met kristal P en de negatieve pool met kristal N. Dit maakt de overgangszone veel smaller, doorbreekt de barrière en maakt de vrije doorgang van de stroom mogelijk. In deze toestand is de diode geleidend.

In omgekeerde polarisatie verbindt de positieve pool met kristal N en de negatieve pool met kristal P. Dit maakt de overgangszone veel breder en versterkt de barrière die de doorgang van stroom verhindert. In dit geval is de diode isolator.

De toepassingen van de Diode zijn veelvoudig. De meest populaire toepassing is echter degene die het als een gelijkrichter gebruikt. Een gelijkrichter is een systeem dat in staat is om een ​​sinusvormig wisselend ingangssignaal om te zetten in een ander met dezelfde betekenis, om later wisselstroom om te zetten in gelijkstroom. Voordat de stroom wordt gelijkgericht, wordt een transformator gebruikt die de spanningswaarde verlaagt.

Voorbeelden van halfgeleidermaterialen

Door de groep waarin ze in het periodiek systeem voorkomen, zijn dit enkele voorbeelden van halfgeleiderelementen:

Groep IIIA: Borium B, Aluminium Al, Gallium Ga, Indium In.

Groeps-btw: Silicium Si, Germanium Ge.

Groep VA: Fosfor P, Arseen As, Antimoon Sb.

Groep VIA: Zwavel S, Selenium Se, Tellurium Te.