De natuurkunde achter halfgeleiders

De mannen van Hardware Analysis hebben een interessant artikel gepubliceerd over de werking van halfgeleiders. Halfgeleiders zijn vooral interessant omdat het aantal beschikbare vrije elektronen elektrisch geregeld kan worden. Halfgeleidende materialen hebben een valentie- en een geleidingsband. Deze twee banden worden gescheiden door een bandgap. Afhankelijk van de grootte van de energiekloof tussen de banden zal er een aantal elektronen uit de valentieband genoeg energie hebben om naar de geleidingsband te gaan. Deze ongebonden elektronen kunnen zich vervolgens relatief vrij door het kristal verplaatsen. Tevens bewegen de gaten die in het rooster zijn ontstaan door het wegtrekken van elektronen ook: een gat kan namelijk weer voorzien worden van een ander elektron, die vervolgens weer een gat achterlaat.

Het oversteken van een elektron van de valentieband naar de geleidingsband kost energie, die bijvoorbeeld geleverd wordt door warme uit de omgeving. Hierdoor is bijvoorbeeld de geleiding in zuiver, intrinsiek, silicium erg temperatuur afhankelijk. Aangezien we de geleiding extern elektronisch willen kunnen beïnvloeden wordt dit intrinsieke materiaal gedoteerd. Er worden vreemde atomen toegevoegd die goed in het oorspronkelijke kristalrooster passen. Deze atomen hebben één elektron minder, of één elektron meer in de valentieband zitten. Door deze atomen aan het rooster toe te voegen is het mogelijk om met slechts een klein beetje energie mobiele elektronen, danwel mobiele gaten te creeëren. Op deze manier beschikken we over een materiaal waarvan we de geleiding 'gemakkelijk' elektrisch kunnen beïnvloeden.

Het uitgebreide verhaal over halfgeleiders vind je hier, inclusief informatie over de PN-junctie, de basis van de BJT-transistoren:

To reinforce the usefulness of this type of doping, consider the following figures: intrinsic silicon at room temperature has on the order of 10^10 charge carriers per cubic centimeter available at all times, simply due to thermal generation. Using common modern technology, we can easily implant in excess of 10^17 Phosphorus atoms per cubic centimeter, thereby increasing the number of charge carriers from 10^10 to 10^17, an increase of 10,000,000 times. Clearly, this will very drastically impact the conductivity of the sample.

Reacties (19)

[reddog33hummer]

Hoe dit nu opleverd dat stroom in diodes (Ook op basis van halfgeleiders) wel de ene kant opkan maar niet de andere kant is mij nog niet duidelijk

[Anoniem: 4106]

Een diode is een PN-junctie. Dit betekent dat er als het ware een stukje P-type silicium (gedoteerd met 3-waardig atoom) tegen een stukje N-type silicium (gedoteerd met 5-waardig atoom) tegen elkaar zijn geplakt. Tussen deze twee gebieden ontstaat een ruimteladingslaag vanwege concentratieverschillen van elektronen respectievelijk gaten in P- en N-type materiaal. In het N-materiaal zullen plaatsgebonden positieve 5-waardige ionen achterblijven en in het P-materiaal zullen dit negatieve 3-waardige ionen zijn.

Het verplaatsen van deze elektronen en gaten veroorzaakt een viertal stromen in de junctie. Twee stromen van minderheidsladingdragers en twee stromen van meerderheidsladingsdragers. Bij afwezigheid van een van buitenaf opgedrukte elektrische stroom vormen deze stromen een evenwicht. De meerderheidsstromen zijn interessant, want de grootte hiervan hangt af van de potentiaalbarrière over de junctie.

Als er een sperspanning wordt aangelegd, zodat P uitwendig negatief is ten opzichte van N, zal de potentiaalberg van de junctie hoger gemaakt worden, waardoor het voor de meerderheidsdiffusiestromen moeilijker wordt om te gaan stromen. Als het P-materiaal positief ten opzichte van N gemaakt wordt, zal de berg kleiner zijn en zal het dus makkelijker zijn voor de meerderheidsdiffustromen om te stromen.

Om je er iets bij voor te stellen neem je twee bakjes die je onderling verbindt met een slangetje. Bij het ene bekertje sluit je het slangetje boven aan, bij het andere bekertje onder. Het bekertje met het slangetje boven is jouw N-gebied, het andere het P-gebied. Het P-gebied vul je met water (in de halfgeleider zijn dit gaten). Als P niet hoog genoeg staat zal er geen water (gaten) kunnen stromen. Hoe hoger je het P-bakje optilt hoe harder het water zal stromen.

[Anoniem: 77853]

dat heeft te maken met de pn overgang.
electronen kunnen wel makkelijk naar de 'andere kant' springen om een gat op te vullen.
Maar terugspringen en een gat achterlaten is gewoon veel moeilijker, hoewel dat sporadisch een enkel elektron wel zal lukken.

stel je zo'n gat voor als vakuum, of beter: als een muur gevuld met gaten en achter elk gat een stofzuigerslang. Langs de andere muur, die dichtbij staat, laat je een ping-pong bal (=elektron) naar beneden vallen

-edit-
verder is dit een erg goed artikel, prima aanvulling op de natuurkundeles.
nu nog iemand die het ff in het nederlands vertaalt

[dr snuggles]

Ik vind zelf de uitleg van howstuffworks erg duidelijk;
http://science.howstuffworks.com/diode.htm

[Confusion]

Oud, maar wel goed: http://britneyspears.ac/lasers.htm

[_WgV_]

Afhankelijk van de grootte van de energiekloof tussen de banden zal er een aantal elektronen uit de valantieband genoeg energie hebben om naar de geleidingsband te gaan.

Moet denk ik valentieband zijn

[Anoniem: 20603]

Ik denk dat er een poster aan vakantieland toe is

[Bezulba]

of aan een vriendin

[Major 7]

@ sommige reacties die dit minder interessant vinden:
Ik denk (*) dat het goed is om van hetgeen je mee bezig bent ook wat van de achtergronden te weten. Het helpt je kennis verbreden waardoor je ook makkelijker nieuwe dingen, niet alleen kunt leren, maar ook plaatsen. Aan kennis en informatie die weer met andere kennis verband houdt heb je over het algemeen meer,dan aan losse, opzichzelf staande kennis.

(*) Mijn mening

[Anoniem: 61983]

Dat is een heel fijn verhaaltje, maar de theorie wat een halfgeleider tot een halfgeleider maakt staat er niet in...
Maar gelukkig hebben Robin en Xonen dit klusje verder afgemaakt.

[Loesje]

Robin en Xonen hebben niet verteld wat een halfgeleider een halfgeleider maakt. Robin legt uit wanneer een halfgeleider voor een diode te gebruiken is.

Een halfgeleider is een materiaal met een band-gap. Metalen hebben niet zo'n gap en geleiden gewoon, isolatoren hebben uberhaupt geen elektronen in een geleidende band.

[Jack]

juist...
Electronische basisschakelingen
Electrotechniek eerste jaar tweede trimester

[Anoniem: 77853]

hoe kun je jezelf nou met droge ogen een tweaker noemen als je de ballen verstand hebt van halfgeleidertechniek ?

ik zou het juist leuk vinden als er meer artikeltjes kwamen over de theoretische achtergrond van computertechniek.

al dat gedoe over cpu's unlocken, daar word ik juist weer een beetje beu van.

[Anoniem: 14038]

Tijdens m'n opleiding heb ik halfgeleidertechnologie gehad todat het m'n strot uitkwam. Want och ja, digitale elektronica is bijna niets anders dan... juist ja halfgeleiders. En dan hoor ik toevallig bij die 1% van de tweakers die wel meer dan bovengemiddeld verstand van halfgeleiders heeft. Ik ben nog steeds aan het aflossen trouwens.

En dit artikel is zo oppervlakkig als een fris gepolijste silicium wafer.
Pak een encyclopodie of boek uit de biep en je leert 10x zoveel als in dit artikel staat. Maar ja het staat op internet en is dus per definitie interessanter?

En een beetje tweaker met een gezonde dosis interesse had zoiets al lang zelf uitgefrobelt. Want de titel van dit artikel doet voor alsof het dé theorie tentoonspreid terwijl het niet meer dan een korte uitleg is.

[Anoniem: 48920]

wtf heeft het er nou weer mee te maken of je de echte theorie van een halfgeleider kent en het zijn van een tweaker.


Enne, voor meer van dit soort verhaaltjes kan ik www.google.nl aanraden

[blobber]

Natuurlijk, er zitten ook helemaal geen halfgeleiders in een pc, alleen maar wat draden, maar die zullen ook wel nutteloos zijn, eigenlijk blijven alleen die enen en nullen over, maar ja een nul is ook niets, dan kun je die enen ook wel weglaten want je kunt ook best oc-en zonder

[alfatrion]

Natuurlijk, er zitten ook helemaal geen halfgeleiders in een pc, alleen maar wat draden, maar die zullen ook wel nutteloos zijn, eigenlijk blijven alleen die enen en nullen over, maar ja een nul is ook niets, dan kun je die enen ook wel weglaten want je kunt ook best oc-en zonder

In alle electronische apparaten zitten diodes. Deze diodes zijn, dacht ik toch, op gemaakt uit halfgeleiders. Iedere en poort en of poort maakt gebruik van diodes. De brug van de voeding trouwens ook.

[blobber]

was cynisch bedoeld hoor