De voordelen van halfgeleiders

Halfgeleiders zijn stoffen waarvan de elektrische geleidbaarheid tussen die van goede geleiders en isolatoren ligt. Halfgeleiders, zonder enige onzuiverheid, worden intrinsieke halfgeleiders genoemd. Germanium en silicium zijn de meest gebruikte intrinsieke halfgeleiders. Zowel Ge (atoomnummer 32) als silicium (atoomnummer 14) behoren tot de vierde groep van het periodiek systeem en zijn vierwaardig.

Bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt gedragen zuivere Ge en Si zich als perfecte isolatoren. Maar hun geleidbaarheid neemt toe met toenemende temperatuur. Voor Ge is de bindingsenergie van een elektron in de covalente binding 0,7 eV. Als deze energie wordt geleverd in de vorm van warmte, worden sommige bindingen verbroken en komen de elektronen vrij.

Bij normale temperaturen worden sommige elektronen vrijgemaakt van de atomen van Ge- of Si-kristal en dwalen ze in het kristal. De afwezigheid van een elektron op een eerder bezette plaats impliceert een positieve lading op die plaats. Er wordt gezegd dat er een "gat" ontstaat op de plaats waar het elektron vrijkomt. Een (leeg) gat is gelijk aan positieve lading en heeft de neiging een elektron op te nemen.

Wanneer een elektron naar een gat springt, ontstaat er een nieuw gat op de plaats waar het elektron eerder was. De beweging van elektronen in de ene richting is gelijk aan de beweging van gaten in de tegenovergestelde richting. In intrinsieke halfgeleiders worden dus tegelijkertijd gaten en elektronen geproduceerd, en beide fungeren als ladingsdragers.

Er zijn twee soorten extrinsieke halfgeleiders: n-type en p-type.

n-type halfgeleider: Elementen zoals arseen (As), antimoon (Sb) en fosfor (P) zijn vijfwaardig, terwijl Ge en Si vierwaardig zijn. Als een kleine hoeveelheid antimoon wordt toegevoegd aan het Ge- of Si-kristal, als een onzuiverheid, dan zullen van de vijf valente elektronen er vier covalente bindingen vormen met naburige Ge-atomen. Maar het vijfde elektron van antimoon wordt bijna vrij om in het kristal te bewegen.

Als er een potentiaalspanning wordt aangelegd op het gedoteerde Ge-kristal, zullen de vrije elektronen in gedoteerd Ge naar de positieve pool bewegen en neemt de geleidbaarheid toe. Omdat de negatief geladen vrije elektronen de geleidbaarheid van gedoteerd Ge-kristal verhogen, wordt het een n-type halfgeleider genoemd.

p-type halfgeleider: Als een driewaardige onzuiverheid zoals indium, aluminium of boor (met drie valentie-elektronen) wordt toegevoegd in een zeer kleine verhouding tot vierwaardig Ge of Si, dan worden drie covalente bindingen gevormd met drie Ge-atomen. Maar het vierde valentie-elektron van Ge kan geen covalente binding met indium vormen omdat er geen elektron overblijft om te paren.

De afwezigheid of het tekort van een elektron wordt een gat genoemd. Elk gat wordt op dat punt beschouwd als een gebied met positieve lading. Omdat de geleidbaarheid van Ge gedoteerd met indium te wijten is aan gaten, wordt het een p-type halfgeleider genoemd.

Het n-type en het p-type zijn dus de twee soorten halfgeleiders, en hun gebruik wordt als volgt uitgelegd: Een p-type halfgeleider en een n-type halfgeleider zijn samengevoegd en de gemeenschappelijke interface wordt een pn-overgang genoemd diode.

Een pn-overgangsdiode wordt gebruikt als gelijkrichter in elektronische schakelingen. Een transistor is een halfgeleiderapparaat met drie aansluitingen, dat wordt gemaakt door een dun plakje n-type materiaal tussen twee grotere stukken p-type materiaal, of een dun plakje p-type halfgeleider tussen twee grotere stukken n-type halfgeleider. Er zijn dus twee soorten transistors: pnp en npn. Een transistor wordt gebruikt als versterker in elektronische schakelingen.

Een vergelijking tussen een halfgeleiderdiode en een vacuüm zou een levendiger beeld geven van de voordelen van halfgeleiders.

• In tegenstelling tot vacuümdiodes zijn er geen filamenten in halfgeleiderapparaten. Daarom is er geen verwarming nodig om elektronen in een halfgeleider uit te zenden.
• Halfgeleiderapparaten kunnen direct na het inschakelen van het schakelapparaat worden gebruikt.
• In tegenstelling tot vacuümdiodes wordt er tijdens het gebruik door halfgeleiders geen zoemend geluid geproduceerd.
• In vergelijking met vacuümbuizen hebben halfgeleiderapparaten altijd een lage bedrijfsspanning nodig.
• Omdat halfgeleiders klein van formaat zijn, zijn de circuits die ze bevatten ook erg compact.
• In tegenstelling tot vacuümbuizen zijn halfgeleiders schokbestendig. Bovendien zijn ze kleiner van formaat, nemen ze minder ruimte in beslag en verbruiken ze minder stroom.
• Vergeleken met vacuümbuizen zijn halfgeleiders extreem gevoelig voor temperatuur en straling.
• Halfgeleiders zijn goedkoper dan vacuümdiodes en hebben een onbeperkte houdbaarheid.
• Halfgeleiderapparaten hebben geen vacuüm nodig om te werken.

Samengevat wegen de voordelen van halfgeleiderapparaten veel zwaarder dan die van vacuümbuizen. Met de komst van halfgeleidermateriaal werd het mogelijk om kleine elektronische apparaten te ontwikkelen die geavanceerder, duurzamer en compatibeler waren.

Het meest voorkomende halfgeleiderapparaat is de transistor, die wordt gebruikt om logische poorten en digitale circuits te vervaardigen. De toepassingen van halfgeleiderinrichtingen strekken zich ook uit tot analoge circuits, die worden gebruikt in oscillatoren en versterkers.

Halfgeleiderapparaten worden ook gebruikt in geïntegreerde schakelingen, die werken met een zeer hoge spanning en stroom. De toepassingen van halfgeleiderapparaten worden ook in het dagelijks leven gezien. Computerchips met hoge snelheid worden bijvoorbeeld gemaakt van halfgeleiders. Ook telefoons, medische apparatuur en robotica maken gebruik van halfgeleidermaterialen.