HALFGELEIDERS: SOORTEN, TOEPASSINGEN EN VOORBEELDEN - DUDAS - 2026

De halfgeleiders zijn elementen die de functie vervullen van selectief geleidend of isolerend, afhankelijk van de externe omstandigheden waaraan ze worden blootgesteld, zoals temperatuur, druk, straling en elektrische of magnetische velden.

In het periodiek systeem zijn 14 halfgeleiderelementen aanwezig, waaronder silicium, germanium, selenium, 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 niet zo'n hoge geleidbaarheid als geleidende metalen.

Halfgeleiders worden gebruikt in elektronische toepassingen, in het bijzonder voor de vervaardiging van componenten zoals transistors, diodes en geïntegreerde schakelingen. Ze worden ook gebruikt als accessoires of aanvullingen voor 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.

Soorten

Er zijn verschillende soorten halfgeleidermaterialen, afhankelijk van de onzuiverheden die ze bevatten en hun fysieke reactie op verschillende omgevingsstimuli.

Intrinsieke halfgeleiders

Het zijn die elementen waarvan de moleculaire structuur uit een enkel type atoom bestaat. Tot deze soorten 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 aangrenzende elektronen.

Op deze manier heeft elk atoom 8 elektronen in de meest oppervlakkige laag, waardoor er een solide band 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 scheiden van de bindingen.

Deze elektronen worden vrije elektronen en kunnen, als ze op de juiste manier worden geleid door een verschil in elektrisch potentieel, bijdragen aan de stroomstroming 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 vergelijkbaar met dat van een positieve lading in het systeem, en daarom worden ze beschouwd als dragers van positieve lading.

Dan is er een omgekeerd effect, aangezien sommige elektronen van de geleidingsband naar de valentieschil kunnen vallen, waarbij energie vrijkomt in het proces, wat recombinatie wordt genoemd.

Extrinsieke halfgeleiders

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.

P-type halfgeleider

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 door dit gat dat een positieve lading draagt.

Vanwege de positieve lading van de verbindingsopening worden deze typen geleiders aangeduid met de letter "P" en worden ze bijgevolg 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.

N-type halfgeleider

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, omdat het geen covalente binding heeft om aan te binden, automatisch vrij door het kristalrooster kan 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 als elektronendonoren beschouwd.

kenmerken

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 zullen er dus geen vrije elektronen ontstaan ​​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 interval tussen 1 en ^10-6 S.cm ^-1 , afhankelijk van het type chemisch element dat wordt gebruikt.

- Composiet of extrinsieke halfgeleiders kunnen optische en elektrische eigenschappen hebben die aanzienlijk beter zijn dan de eigenschappen van intrinsieke halfgeleiders, zoals galliumarsenide (GaAs), dat voornamelijk wordt gebruikt in radiofrequenties en andere toepassingen van opto-elektronische toepassingen.

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 voor diodes die worden gebruikt in elektronische circuits om elektrische stroom slechts in één richting te laten passeren.

Voor diode-ontwerp worden extrinsieke halfgeleiderovergangen van het P-type en N-type gevormd Door elektronendonor- en dragerelementen af ​​te wisselen, wordt een balansmechanisme tussen beide zones geactiveerd.

Zo kruisen de elektronen en gaten in beide zones elkaar en vullen ze elkaar aan waar nodig. Dit gebeurt op twee manieren:

- Er vindt overdracht plaats van elektronen van de N-type zone naar de P-zone 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 functies vervullen die vergelijkbaar zijn met 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 bruine lijnapparatuur zoals televisies, videospelers, geluidsapparatuur; computers en mobiele telefoons.

Voorbeelden

De meest gebruikte halfgeleider in de elektronica-industrie is silicium (Si). Dit materiaal is aanwezig in de apparaten waaruit de geïntegreerde schakelingen bestaan ​​die deel uitmaken van ons dagelijks leven.

Siliciumgermaniumlegeringen (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), dat veel wordt gebruikt in signaalversterkers, met name voor signalen met een hoge versterking en een laag ruisniveau.

Referenties

1. Brian, M. (zd). Hoe halfgeleiders werken. Hersteld van: electronics.howstuffworks.com
2. Landin, P. (2014). Intrinsieke en extrinsieke halfgeleiders. Hersteld van: pelandintecno.blogspot.com
3. Rouse, M. (zd). Halfgeleider. Hersteld van: whatis.techtarget.com
4. Halfgeleider (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Londen, VK. Hersteld van: britannica.com
5. Wat zijn halfgeleiders? (sf). © Hitachi High-Technologies Corporation. Hersteld van: hitachi-hightech.com
6. Wikipedia, The Free Encyclopedia (2018). Halfgeleider. Hersteld van: es.wikipedia.org