De halfgeleiders zijn elementen die selectief de functie van geleiders of isolatoren vervullen, afhankelijk van de externe omstandigheden waaraan ze worden blootgesteld, zoals temperatuur, druk, straling en magnetische of elektrische velden.
In het periodiek systeem zijn 14 halfgeleiderelementen aanwezig, waaronder silicium, germanium, seleen, cadmium, aluminium, gallium, boor, indium en koolstof. Halfgeleiders zijn kristallijne vaste stoffen met een gemiddelde elektrische geleidbaarheid, zodat ze dubbel kunnen worden gebruikt als geleider en als isolator.
Als ze als geleiders worden gebruikt, laten ze onder bepaalde omstandigheden de circulatie van elektrische stroom toe, maar alleen in één richting. Bovendien hebben ze een minder hoog geleidingsvermogen dan geleidende metalen..
Halfgeleiders worden gebruikt in elektronische toepassingen, met name voor de fabricage van componenten zoals transistors, diodes en geïntegreerde schakelingen. Ze worden ook gebruikt als accessoires of aanvulling op optische sensoren, zoals halfgeleiderlasers, en sommige voedingsapparaten voor elektrische krachtoverbrengingssystemen..
Momenteel wordt dit type element gebruikt voor technologische ontwikkelingen op het gebied van telecommunicatie, besturingssystemen en signaalverwerking, zowel in huishoudelijke als industriële toepassingen..
Artikel index
Er zijn verschillende soorten halfgeleidermaterialen, afhankelijk van de onzuiverheden die ze bevatten en hun fysieke reactie op verschillende omgevingsstimuli..
Het zijn die elementen waarvan de moleculaire structuur uit een enkel type atoom bestaat. Tot dit type intrinsieke halfgeleiders behoren silico en germanium.
De moleculaire structuur van intrinsieke halfgeleiders is tetraëdrisch; dat wil zeggen, het heeft covalente bindingen tussen vier omringende atomen, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Elk atoom van een intrinsieke halfgeleider heeft 4 valentie-elektronen; dat wil zeggen, 4 elektronen die in de buitenste schil van elk atoom draaien. Elk van deze elektronen vormt op zijn beurt bindingen met de aangrenzende elektronen..
Op deze manier heeft elk atoom 8 elektronen in de meest oppervlakkige laag, waardoor er een stevige binding ontstaat tussen de elektronen en de atomen waaruit het kristalrooster bestaat..
Vanwege deze configuratie bewegen elektronen niet gemakkelijk binnen de structuur. Onder standaardomstandigheden gedragen intrinsieke halfgeleiders zich dus als een isolator.
De geleidbaarheid van de intrinsieke halfgeleider stijgt echter wanneer de temperatuur stijgt, aangezien sommige valentie-elektronen warmte-energie absorberen en zich van de bindingen scheiden..
Deze elektronen worden vrije elektronen en kunnen, als ze op de juiste manier worden geleid door een elektrisch potentiaalverschil, bijdragen aan de stroom van stroom binnen het kristalrooster..
In dit geval springen de vrije elektronen in de geleidingsband en gaan naar de positieve pool van de potentiaalbron (bijvoorbeeld een batterij).
De beweging van de valentie-elektronen veroorzaakt een vacuüm in de moleculaire structuur, wat zich vertaalt in een effect dat vergelijkbaar is met dat van een positieve lading in het systeem, en daarom worden ze beschouwd als dragers van positieve lading..
Dan treedt een omgekeerd effect op, aangezien sommige elektronen van de geleidingsband naar de valentieschil kunnen vallen, waarbij energie vrijkomt in het proces, wat recombinatie wordt genoemd..
Ze conformeren zich door onzuiverheden op te nemen in de intrinsieke geleiders; dat wil zeggen door driewaardige of vijfwaardige elementen op te nemen.
Dit proces staat bekend als doping en heeft tot doel de geleidbaarheid van materialen te vergroten en hun fysieke en elektrische eigenschappen te verbeteren..
Door een intrinsiek halfgeleideratoom te vervangen door een atoom van een andere component, kunnen twee soorten extrinsieke halfgeleiders worden verkregen, die hieronder worden beschreven.
In dit geval is de onzuiverheid een driewaardig halfgeleiderelement; dat wil zeggen, met drie (3) elektronen in zijn valentieschil.
De opdringerige elementen binnen de structuur worden dopingelementen genoemd. Voorbeelden van deze elementen voor halfgeleiders van het P-type zijn boor (B), gallium (Ga) of indium (In).
Bij gebrek aan een valentie-elektron om de vier covalente bindingen van een intrinsieke halfgeleider te vormen, heeft de P-type halfgeleider een gat in de ontbrekende binding.
Dit maakt de doorgang van elektronen die niet tot het kristallijne rooster behoren gunstig door dit gat dat een positieve lading draagt..
Vanwege de positieve lading van het verbindingsgat, worden dit soort geleiders genoemd met de letter "P" en worden ze daarom herkend als elektronenacceptoren.
De stroom van elektronen door de gaten in de binding produceert een elektrische stroom die in tegengestelde richting circuleert als de stroom die wordt afgeleid van de vrije elektronen..
Het opdringerige element in de configuratie wordt gegeven door vijfwaardige elementen; dat wil zeggen, die met vijf (5) elektronen in de valentieband.
In dit geval zijn de onzuiverheden die in de intrinsieke halfgeleider zijn opgenomen elementen zoals fosfor (P), antimoon (Sb) of arseen (As).
Dopants hebben een extra valentie-elektron dat, zonder covalente binding om aan te binden, automatisch vrij is om door het kristalrooster te bewegen.
Hier circuleert de elektrische stroom door het materiaal dankzij het overschot aan vrije elektronen dat door de doteerstof wordt geleverd. Daarom worden N-type halfgeleiders beschouwd als elektronendonoren..
Halfgeleiders worden gekenmerkt door hun dubbele functionaliteit, energie-efficiëntie, diversiteit aan toepassingen en lage kosten. De meest opvallende kenmerken van halfgeleiders worden hieronder beschreven.
- De respons (geleidend of isolerend) kan variëren afhankelijk van de gevoeligheid van het element voor verlichting, elektrische velden en magnetische velden in de omgeving..
- Als de halfgeleider aan een lage temperatuur wordt blootgesteld, blijven de elektronen verenigd in de valentieband en ontstaan er dus geen vrije elektronen voor de circulatie van elektrische stroom.
Aan de andere kant, als de halfgeleider wordt blootgesteld aan hoge temperaturen, kunnen thermische trillingen de sterkte van de covalente bindingen van de atomen van het element beïnvloeden, waardoor er vrije elektronen overblijven voor elektrische geleiding..
- De geleidbaarheid van halfgeleiders varieert afhankelijk van het aandeel onzuiverheden of dopingelementen in een intrinsieke halfgeleider.
Als bijvoorbeeld 10 booratomen zijn opgenomen in een miljoen siliciumatomen, verhoogt die verhouding de geleidbaarheid van de verbinding duizend keer, vergeleken met de geleidbaarheid van puur silicium..
- De geleidbaarheid van halfgeleiders varieert in een bereik tussen 1 en 10-6 S.cm-1, afhankelijk van het type chemisch element dat wordt gebruikt.
- Samengestelde of extrinsieke halfgeleiders kunnen optische en elektrische eigenschappen vertonen die aanzienlijk beter zijn dan de eigenschappen van intrinsieke halfgeleiders. Een voorbeeld hiervan is galliumarsenide (GaAs), dat voornamelijk wordt gebruikt in radiofrequentie- en andere opto-elektronische toepassingen..
Halfgeleiders worden veel gebruikt als grondstof bij de assemblage van elektronische elementen die deel uitmaken van ons dagelijks leven, zoals geïntegreerde schakelingen..
Een van de belangrijkste elementen van een geïntegreerd circuit zijn transistors. Deze apparaten vervullen de functie van het leveren van een uitgangssignaal (oscillerend, versterkt of gelijkgericht) volgens een specifiek ingangssignaal.
Bovendien zijn halfgeleiders ook het primaire materiaal van diodes die in elektronische schakelingen worden gebruikt om de doorgang van elektrische stroom in slechts één richting mogelijk te maken..
Voor diodeontwerp worden extrinsieke halfgeleiderovergangen van het P-type en N-type gevormd Door elektronendonor- en dragerelementen af te wisselen wordt een evenwichtsmechanisme tussen beide zones geactiveerd..
Zo kruisen de elektronen en de gaten in beide zones elkaar en vullen ze elkaar waar nodig aan. Dit gebeurt op twee manieren:
- De overdracht van elektronen van de N-type zone naar de P-zone vindt plaats. De N-type zone krijgt een overwegend positieve ladingszone.
- Er is een doorgang van elektronendragende gaten van de P-type zone naar de N-type zone. De P-type zone krijgt een overwegend negatieve lading.
Ten slotte wordt een elektrisch veld gevormd dat de circulatie van de stroom in slechts één richting induceert; dat wil zeggen van zone N naar zone P.
Bovendien kan het gebruik van combinaties van intrinsieke en extrinsieke halfgeleiders apparaten produceren die vergelijkbare functies vervullen als een vacuümbuis die honderden keren zijn volume bevat..
Dit type toepassing is van toepassing op geïntegreerde schakelingen, zoals microprocessorchips die een aanzienlijke hoeveelheid elektrische energie dekken..
Halfgeleiders zijn aanwezig in elektronische apparaten die we in ons dagelijks leven gebruiken, zoals brown line-apparatuur zoals televisies, videospelers, geluidsapparatuur; computers en mobiele telefoons.
De meest gebruikte halfgeleider in de elektronica-industrie is silicium (Si). Dit materiaal is aanwezig in de apparaten die de geïntegreerde schakelingen vormen die deel uitmaken van ons dagelijks leven.
Silicium-germaniumlegeringen (SiGe) worden gebruikt in snelle geïntegreerde schakelingen voor radars en versterkers van elektrische instrumenten, zoals elektrische gitaren..
Een ander voorbeeld van een halfgeleider is galliumarsenide (GaAs), veel gebruikt in signaalversterkers, met name voor signalen met een hoge versterking en een laag ruisniveau..
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.