Intrinsieke versus extrinsieke halfgeleider
Het is opmerkelijk dat de moderne elektronica gebaseerd is op één soort materiaal, halfgeleiders. Halfgeleiders zijn materialen met een tussenliggende geleidbaarheid tussen geleiders en isolatoren. Halfgeleidermaterialen werden al vóór de uitvinding van de halfgeleiderdiode en transistor in de jaren 40 in de elektronica gebruikt, maar daarna vonden halfgeleiders een enorme toepassing op het gebied van elektronica. In 1958 bracht de uitvinding van de geïntegreerde schakeling door Jack Kilby van Texas Instruments het gebruik van halfgeleiders op het gebied van elektronica tot een ongekend niveau.
Vanzelfsprekend hebben halfgeleiders hun eigenschap van geleidbaarheid dankzij gratis ladingsdragers. Zo'n halfgeleider, een materiaal dat van nature halfgeleidereigenschappen vertoont, staat bekend als een intrinsieke halfgeleider. Voor de ontwikkeling van geavanceerde elektronische componenten zijn halfgeleiders verbeterd om met een grotere geleidbaarheid te presteren door materialen of elementen toe te voegen, waardoor het aantal ladingsdragers in het halfgeleidermateriaal toeneemt. Zo'n halfgeleider staat bekend als een extrinsieke halfgeleider.
Meer over intrinsieke halfgeleiders
De geleidbaarheid van welk materiaal dan ook is te wijten aan de elektronen die door de thermische beweging aan de geleidingsband worden afgegeven. Bij intrinsieke halfgeleiders is het aantal vrijgekomen elektronen relatief lager dan bij de metalen, maar groter dan bij de isolatoren. Hierdoor is een zeer beperkte geleiding van stroom door het materiaal mogelijk. Wanneer de temperatuur van het materiaal wordt verhoogd, komen er meer elektronen in de geleidingsband, en daarmee neemt ook de geleidbaarheid van de halfgeleider toe. Er zijn twee soorten ladingsdragers in een halfgeleider: de elektronen die vrijkomen in de valentieband en de lege orbitalen, beter bekend als de gaten. Het aantal gaten en elektronen in een intrinsieke halfgeleider is gelijk. Zowel gaten als elektronen dragen bij aan de stroom. Wanneer een potentiaalverschil wordt aangelegd, bewegen elektronen naar het hogere potentieel en gaan gaten naar het lagere potentieel.
Er zijn veel materialen die als halfgeleiders werken, en sommige zijn elementen en andere zijn verbindingen. Silicium en germanium zijn elementen met halfgeleidende eigenschappen, terwijl galliumarsenide een verbinding is. Over het algemeen vertonen elementen in groep IV en verbindingen uit de elementen van groep III en V, zoals galliumarsenide, aluminiumfosfide en galliumnitride intrinsieke halfgeleider-eigenschappen.
Meer over Extrinsic Semiconductors
Door verschillende elementen toe te voegen, kunnen de halfgeleider eigenschappen worden verfijnd om meer stroom te geleiden. Het toevoegingsproces staat bekend als doping, terwijl het toegevoegde materiaal bekend staat als de onzuiverheden. Onzuiverheden verhogen het aantal ladingsdragers in het materiaal, waardoor een betere geleiding mogelijk is. Op basis van de geleverde drager worden de onzuiverheden geclassificeerd als acceptors en donors. Donoren zijn materialen met ongebonden elektronen in het rooster, en acceptoren zijn materialen die gaten in het rooster achterlaten. Voor groep IV halfgeleiders fungeren groep III elementen boor, aluminium als acceptoren, terwijl groep V elementen fosfor en arseen als donoren. Voor samengestelde halfgeleiders van groep II-V fungeren selenium en tellurium als donoren, terwijl beryllium, zink en cadmium als acceptoren fungeren.
Als een aantal acceptoratomen als onzuiverheid wordt toegevoegd, neemt het aantal gaten toe en heeft het materiaal een overmaat aan positieve ladingsdragers dan voorheen. Daarom wordt de halfgeleider gedoteerd met acceptoronzuiverheid een positief-type of P-type halfgeleider genoemd. Op dezelfde manier wordt een halfgeleider gedoteerd met donoronzuiverheid, die het materiaal met meer elektronen achterlaat, een negatief type of N-type halfgeleider genoemd.
Halfgeleiders worden gebruikt om verschillende soorten diodes, transistors en aanverwante componenten te vervaardigen. Lasers, fotovoltaïsche cellen (zonnecellen) en fotodetectoren gebruiken ook halfgeleiders.
Wat is het verschil tussen intrinsieke en extrinsieke halfgeleiders?
