Halfgeleider (vastestoffysica)

Een halfgeleider is een materiaal dat in sommige gevallen wel elektriciteit geleidt, maar in andere gevallen niet. Goede elektrische geleiders, zoals koper of zilver, zorgen ervoor dat er gemakkelijk elektriciteit doorheen kan stromen. Materialen die de stroom van elektriciteit blokkeren, zoals rubber of plastic, worden isolatoren genoemd. Isolatoren worden vaak gebruikt om mensen te beschermen tegen elektrische schokken. Zoals de naam al aangeeft, geleidt een halfgeleider niet zo goed als een geleider. Silicium is de meest gebruikte halfgeleider, maar er wordt ook galliumarsenide gebruikt.

Door de toevoeging van verschillende atomen in het kristalrooster (raster) van de halfgeleider verandert het de geleidbaarheid ervan door het maken van n-type en p-type halfgeleiders. Silicium is de belangrijkste commerciële halfgeleider, hoewel er vele andere worden gebruikt. Er kunnen transistors van worden gemaakt, die kleine versterkers zijn. Transistors worden gebruikt in computers, mobiele telefoons, digitale audiospelers en vele andere elektronische apparaten.

Net als andere vaste stoffen kunnen de elektronen in halfgeleiders alleen energieën hebben binnen bepaalde banden (d.w.z. reeksen energieniveaus) tussen de energie van de grondtoestand, die overeenkomt met elektronen die nauw verbonden zijn met de atoomkernen van het materiaal, en de vrije elektronenenergie, die de energie is die nodig is voor een elektron om volledig uit het materiaal te ontsnappen.

Elektronische componenten op basis van halfgeleiders

Geschiedenis

Halfgeleiders werden al in de jaren 1830 in laboratoria bestudeerd. In 1833 experimenteerde Michael Faraday met zilversulfide. Hij ontdekte dat het materiaal, naarmate het werd verhit, beter stroom kon geleiden. Dit was het tegenovergestelde van hoe koper zich gedroeg. Wanneer koper wordt verhit geleidt het minder elektriciteit. Een aantal andere vroege experimentatoren ontdekten andere eigenschappen van halfgeleiders. In 1947 werd bij Bell Labs in New Jersey de transistor uitgevonden. Dit leidde tot de ontwikkeling van geïntegreerde schakelingen, die tegenwoordig bijna alle elektronische apparaten van stroom voorzien.

Halfgeleiderdoping

Doping

Doping is het proces van het toevoegen van een kleine onzuiverheid aan een zuivere halfgeleider om de elektrische eigenschappen ervan te veranderen. Licht en matig gedoteerde halfgeleiders worden extrinsiek genoemd. Een halfgeleider gedoteerd tot zo'n hoog niveau dat het meer als een geleider werkt dan een halfgeleider wordt aangeduid als degeneratief. De meeste halfgeleiders zijn gemaakt van siliciumkristallen. Zuiver silicium heeft weinig nut, maar gedoteerd silicium is de basis voor de meeste halfgeleiders. Silicon Valley werd genoemd naar het grote aantal halfgeleiderbedrijven die daar gevestigd waren.

Halfgeleiders vandaag

Tegenwoordig worden halfgeleiders ver en breed gebruikt. Halfgeleiders zijn te vinden in bijna elk elektronisch apparaat. Desktopcomputers, het internet, tablet-apparaten, smartphones zouden allemaal niet mogelijk zijn zonder halfgeleiders. Halfgeleiders kunnen worden gemaakt tot zeer nauwkeurige schakelaars met een kleine hoeveelheid spanning. De spanning die de halfgeleider niet nodig heeft, kan naar andere elektrische componenten in het apparaat worden gestuurd. Halfgeleiders kunnen ook zeer klein worden gemaakt en veel van hen kunnen in een vrij kleine schakeling passen. Omdat ze zo klein kunnen worden gemaakt, kunnen elektrische apparaten vandaag de dag dun en licht worden gemaakt zonder dat dit ten koste gaat van het verwerkingsvermogen. Enkele van de dominante bedrijven in de halfgeleiderindustrie zijn Intel Corporation, Samsung Electronics, TSMC, Qualcomm en Micron Technology.

Gerelateerde pagina's

Vragen en antwoorden

V: Wat is een halfgeleider?

A: Een halfgeleider is een materiaal dat in sommige gevallen elektriciteit geleidt, maar in andere gevallen niet. Het geleidt niet zo goed als goede elektrische geleiders zoals koper of zilver, en het blokkeert de stroom van elektriciteit niet zoals isolatoren zoals rubber of plastic.

V: Wat zijn n-type en p-type halfgeleiders?

A: N-type en p-type halfgeleiders worden gecreëerd door verschillende atomen toe te voegen aan het kristalrooster van de halfgeleider, waardoor het geleidingsvermogen verandert.

V: Waarvoor wordt silicium gebruikt?

A: Silicium is de belangrijkste commerciële halfgeleider en er kunnen transistors van worden gemaakt, kleine versterkers die worden gebruikt in computers, mobiele telefoons, digitale audiospelers en vele andere elektronische apparaten.

V: Welke andere materialen worden gebruikt als halfgeleiders?

A: Naast silicium wordt ook galliumarsenide als halfgeleider gebruikt.

V: Hoe gedragen elektronen zich in een vast materiaal?

A: De elektronen in vaste materialen kunnen alleen energieën hebben binnen bepaalde banden (d.w.z. bereiken van energieniveaus) tussen de energie van de grondtoestand, die overeenkomt met elektronen die stevig gebonden zijn aan de atoomkernen van het materiaal, en de vrije elektronenenergie, die de energie is die een elektron nodig heeft om volledig uit het materiaal te ontsnappen.

V: Waarom worden isolatoren vaak gebruikt om mensen tegen elektrische schokken te beschermen?

A: Isolatoren blokkeren de stroom van elektriciteit, zodat ze kunnen worden gebruikt om mensen tegen elektrische schokken te beschermen door te voorkomen dat er een elektrische stroom doorheen gaat.

V: Hoe werken transistors?

A: Transistors fungeren als kleine versterkers die een ingangssignaal opnemen en versterken alvorens het op een hoger niveau uit te sturen dan wat oorspronkelijk werd ingevoerd.