- Wat is een halfgeleider?
- Halfgeleidertoepassingen
- Soorten halfgeleiders
- Voorbeelden van halfgeleidermaterialen
- Geleidende materialen
- Isolatiematerialen
We leggen uit wat een elektrische halfgeleider is, de typen, toepassingen en voorbeelden. Daarnaast geleidende en isolerende materialen.
Wat is een halfgeleider?
Halfgeleiders zijn materialen die kunnen werken als elektrische geleiders of als elektrische isolatoren, afhankelijk van de fysieke omstandigheden waarin ze worden aangetroffen. Deze voorwaarden houden meestal in: temperatuur- en de Druk, het optreden van straling of de intensiteiten van de elektrisch veld of magnetisch veld waaraan het materiaal wordt onderworpen.
Halfgeleiders zijn opgebouwd uit: chemische elementen onderling zeer uiteenlopend, die overigens uit andere regio's komen dan de Periodiek systeem, maar ze delen bepaalde chemische eigenschappen (over het algemeen zijn ze vierwaardig), waardoor ze hun specifieke elektrische eigenschappen hebben. Momenteel is silicium (Si) de meest gebruikte halfgeleider, vooral in de industrie elektronica en van de computergebruik.
Naast isolatiematerialen werden in 1727 halfgeleiders ontdekt door de Engelse natuurkundige en natuuronderzoeker Stephen Gray (1666-1736), maar de wetten die hun gedrag en eigenschappen beschrijven, werden veel later, in 1821, beschreven door de beroemde Duitse natuurkundige Georg Simon. (1789-1854).
Halfgeleidertoepassingen
Halfgeleiders zijn vooral nuttig in de elektronica-industrie, omdat ze het aansturen en moduleren van de elektrische stroom volgens de nodige patronen. Om die reden is het gebruikelijk dat ze gewend zijn om:
- Transistors
- Geïntegreerde schakelingen
- elektrische diodes
- optische sensoren
- Solid-state lasers
- Electric drive modulatoren (zoals een elektrische gitaarversterker)
Soorten halfgeleiders
Halfgeleiders kunnen van twee verschillende typen zijn, afhankelijk van hun reactie op de fysieke omgeving waarin ze zich bevinden:
Intrinsieke halfgeleiders
Ze bestaan uit een enkel type atomen, gerangschikt in moleculen tetraëdrische (dat wil zeggen, vier atomen met een valentie van 4) en hun atomen verbonden door covalente bindingen.
Deze chemische configuratie voorkomt: beweging vrij van elektronen rond het molecuul, behalve een temperatuurstijging: dan nemen de elektronen deel aan de Energie beschikbaar zijn en "springen", waardoor een vrije ruimte overblijft die wordt vertaald als een positieve lading, die op zijn beurt nieuwe elektronen zal aantrekken. Dit proces wordt recombinatie genoemd en de hoeveelheid warmte die hiervoor nodig zijn, hangt af van het betreffende scheikundige element.
Extrinsieke halfgeleiders
Deze materialen maken een dopingproces mogelijk, dat wil zeggen, ze laten een bepaald type onzuiverheden toe om in hun atomaire configuratie te worden opgenomen. Afhankelijk van deze onzuiverheden, die vijfwaardig of driewaardig kunnen zijn, worden halfgeleidermaterialen in tweeën verdeeld:
- N-type extrinsieke halfgeleiders (donoren). In dit soort materialen overtreffen de elektronen de gaten of dragers van vrije lading ("ruimten" met positieve lading). Wanneer een potentiaalverschil op het materiaal wordt toegepast, bewegen de vrije elektronen naar links van het materiaal en de gaten vervolgens naar rechts. Wanneer de gaten extreem rechts bereiken, komen elektronen van het externe circuit de halfgeleider binnen en vindt de transmissie van elektrische stroom plaats.
- Extrinsieke P-type halfgeleiders (acceptors). In deze materialen vergroot de toegevoegde onzuiverheid, in plaats van de beschikbare elektronen te vergroten, de gaten. We spreken dus van toegevoegd acceptormateriaal, omdat er meer vraag is naar elektronen dan beschikbaarheid en elke vrije "ruimte" waar een elektron naartoe moet om de doorgang van stroom te vergemakkelijken.
Voorbeelden van halfgeleidermaterialen
De meest voorkomende en gebruikte halfgeleiders in de industrie zijn:
- Silicium (Si)
- Germanium (Ge), vaak in legeringen silicium
- Galliumarsenide (GaAs)
- Zwavel
- Zuurstof
- Cadmium
- Selenium
- Indisch
- Andere chemische stoffen die het resultaat zijn van de combinatie van elementen uit groepen 12 en 13 van het periodiek systeem, met elementen uit respectievelijk groepen 16 en 15.
Geleidende materialen
In tegenstelling tot halfgeleiders, waarvan de elektrische geleidingseigenschappen variëren, zijn geleidende materialen altijd klaar om de elektriciteit, vanwege de elektronische configuratie van zijn atomen. Deze geleidbaarheid kan fluctueren en tot op zekere hoogte worden beïnvloed door de fysieke toestand van de omgeving sinds de elektrische geleidbaarheid het is niet absoluut.
Voorbeelden van geleidende materialen zijn de overgrote meerderheid van metalen (ijzer, kwik, koper, aluminium, enz.) en de Water.
Isolatiematerialen
Ten slotte zijn isolatiematerialen die welke weerstand bieden aan de geleiding van elektriciteit, dat wil zeggen, die de doorgang van elektronen en ze zijn daarom nuttig om zichzelf te beschermen tegen elektriciteit, om te voorkomen dat deze vrij loopt of tegen kortsluiting. Isolatoren isoleren ook niet honderd procent efficiënt. Ze hebben een grens (doorslagspanning) waarboven de energie zo intens is dat ze hun toestand als isolatoren niet kunnen handhaven en daarom elektrische stroom kunnen overbrengen, althans in zekere mate.
Voorbeelden van isolatiematerialen zijn: plastic, keramiek, glas, hout en papier.