Hoofdstuk 7 Elektrische structuur van de halfgeleider 7.1. Elektrische structuur bij de intrinsieke halfgeleider

Halfgeleiders Stoffen indelen volgens resistiviteit Geleiders 10-8 m <  < 10-5 m beschikken steeds over vrije elektronen als T , dan geleiding  Isolatoren 104 m <  < 1018 m bezitten geen vrije elektronen geen geleiding mogelijk

Halfgeleiders Halfgeleiders 10-5 m <  < 104 m bij lage T: isolator bij hoge T: geleider Elementen uit groep IV  4 valentie-elektronen Bereiken de octetstructuur dmv 4 covalente binding met telkens één ongepaard e- van 4 naburige atomen 4 sp-hybridisatie

Intrinsieke of zuivere halfgeleider Halfgeleider die uitsluitend atomen bevat van één bepaalde soort. Bv. zuiver Ge of zuiver Si Bij lage temperatuur alle valentie-elektronen zitten in een covalente binding: octetstructuur gedraagt zich als isolator

Intrinsieke of zuivere halfgeleider Bij kamertemperatuur Door thermische beweging kunnen val-e- loskomen  vrij e- Als T , dan  # vrije e-, dan  geleiding Ge: 1013/cm³ Cu: 1023/cm³ gevolg: + roosterion met lege plaats = positief gat of holte er ontstaan steeds holte-elektron-paren

Intrinsieke of zuivere halfgeleider Vervolg bij kamertemperatuur val.e- rond atoom komt los  positieve holte en vrij e- val.e- uit naburig atoom kan loskomen en gat opvullen = recombinatie Door thermisch beweging bezit een halfgeleider evenveel vrije e- als positieve gaten

Hoofdstuk 7 Elektrische structuur van de halfgeleider 7.2. De intrinsieke halfgeleiding

Intrinsieke of zuivere halfgeleider Bij kamertemperatuur val.e- rond atoom 1 komt los  vrij e- en positieve holte  e- beweegt naar +pool val.e- uit naburig atoom 2 kan loskomen en gat 1 opvullen  gat 1 verdwijnt, gat 2 ontstaat val.e- uit naburig atoom 3 kan loskomen en gat 2 opvullen  gat 2 verdwijnt, gat 3 ontstaat

Intrinsieke of zuivere halfgeleiding Mechanisme van de stroomdoorgang bij intrinsieke halfgeleiders Intrinsieke ladingsdragers: vrije e- en positieve holten Zowel de vrije e- als de positieve gaten bewegen: de halfgeleiding bestaat uit een verplaatsing van vrije e- in de ene zin en een verplaatsing van positieve holten in de andere zin

Hoofdstuk 7 Elektrische structuur van de halfgeleider 7.3. De extrinsieke halfgeleider

Extrinsieke halfgeleider vreemde atomen toevoegen = onzuiverheden zo bekomt men gedoteerde halfgeleiders dotering zodanig dat oorspronkelijk kristalrooster niet verstoord wordt. twee soorten gedoteerde halfgeleiders: N-type halfgeleider P-type halfgeleider

N-type halfgeleider 5-waardige onzuiverheid (groep Va) wordt in het kristalrooster ingebracht vb. P, As, Sb As vormt 4 covalente bindingen en er is 1 e- over Dit e- is al bij kamerT vrij  As levert vrij e- As = donoratoom/donorion

N-type halfgeleider Opgelet! vrij e- van As doet geen gat ontstaan As wordt een + vast roosterion, maar er onstaat geen gat in de covalente binding gaten zijn afkomstig van intrinsieke halfgeleiding # gaten << # vrije e-  geleiding in 1e plaats door de vrije e-: negatieve donorelektronen = N-type halfgeleiding

P-type halfgeleider 3-waardige onzuiverheid (groep IIIa) wordt in het kristalrooster ingebracht vb. In, B, Al In vormt 3 covalente bindingen en er is 1 plaats over Bij kamerT heeft In al een vrij e- ingevangen  In kan e- opnemen of accepteren In = acceptoratoom /acceptorion

P-type halfgeleider Opgelet! positief gat bij In doet geen vrij e- ontstaan In wordt een - vast roosterion, maar er ontstaat geen vrij e- vrije e- zijn afkomstig van intrinsieke halfgeleiding # vrije e- << # gaten  geleiding in 1e plaats door de gaten: positieve gaten = P-type halfgeleiding

Hoofdstuk 7 Elektrische structuur van de halfgeleider 7.4. De extrinsieke halfgeleiding

N-type halfgeleider Mechanisme van de stroomdoorgang bij een gedoteerde halfgeleider N-type halfgeleider Vooral de vrije e- zorgen voor ladingstransport Als rechts e- toekomt, moet links een verdwijnen Vrije e- verplaatsen zich in het kristal van rechts naar links

P-type halfgeleider Mechanisme van de stroomdoorgang bij een gedoteerde halfgeleider P-type halfgeleider Vooral de postieve holten zorgen voor ladingstransport Als rechts e- toekomt, moet links ook e- verdwijnen Als rechts e- toekomt, verdwijnt er daar een holte, en als links e- verdwijnt, ontstaat er daar een holte Holtes e- verplaatsen zich in het kristal van links naar rechts

Hoofdstuk 7 Elektrische structuur van de halfgeleider 7.5. Enkele toepassingen

LDR,light dependent resistor Als licht (IR) invalt op LDR, dan  R, Als licht (IR) onderbroken wordt, dan  R Toepassingen: veiligheid automatische liftdeur, licht aanschakelen in Werking: laagje halfgeleidend cadmium- of loodsulfide. Energie van het licht maakt deel van val.e- vrij en er ontstaan evenveel pos. holten Daarop twee heel dunne elektroden De vrije e- zorgen voor stroom tussen de twee elektroden.

De rookdetector Binnenin een rookdetector, is er licht (A) en een sensor (B), maar ze staan loodrecht op elkaar. Normaal gaat het licht ononderbroken van links naar rechts en valt het dus niet in op de sensor.

De rookdetector Wanneer er rook in de kamer hangt, komt er ook rook in de rookdetector, en wordt het licht (A) verstrooid door die rookdeeltjes en valt een gedeelte van het licht wel in op de sensor (B). De sensor zet dan het alarm in werking.

Hoofdstuk 7 Elektrische structuur van de halfgeleider 7.6. De halfgeleiderdiode

Beschrijving p-type en n-type halfgeleider met elkaar in contact brengen p-type: vrije ladingen zijn positieve gaten. Ze bewegen rond de negatieve vaste roosterionen n-type: vrije ladingen zijn negatieve elektronen. Ze bewegen rond de positieve vaste roosterionen contactoppervlak tussen beide: p-n-junctie geheel: (junctie)diode

Beschrijving Anode verbindt de p-type halfgeleider met de rest van de stroomkring Kathode verbindt de n-type halfgeleider met de rest van de stroomkring

Constructie p-type en n-type met elkaar in contact brengen: in het contactgebied ontstaat een concentratieverschil aan vrije ladingen er treedt diffusie op: vrije elektronen diffunderen vanuit het n-gebied naar het p-gebied, recombineren daar met de pos. gaten  het p-gebied wordt negatief geladen gaten diffunderen vanuit het p-gebied naar het n-gebied, recombineren daar met vrije e-  het n-gebied wordt positief geladen Deze zone word de grenslaag/depletielaag genoemd

Constructie n-gebied in die contactzone bevat nog enkel positieve roosterionen p-gebied in die contactzone bevat nog enkel negatieve roosterionen Zo ontstaat een elektrisch veld en diffusiespanning over die laag die verdere diffusie bemoeilijkt

Hoofdstuk 7 Elektrische structuur van de halfgeleider 7.7. De diode in sper en in doorlaat

Aansluiting in sperzin n-type HG verbinden met de + pool van de bron p-type HG verbinden met de - pool van de bron vrije e- vanuit – pool vulen gaten in het p-gebied op + pool trekt vrije elektronen uit het n-gebied aan  depletielaag wordt breder e- afkomstig van de - pool worden door de - roosterionen van de p-zone afgestoten  geen stroom door de diode Opm: er is wel een zekere reststroom, afkomstig van de intrinsieke geleiding

Aansluiting in doorlaatzin p-type HG verbinden met de + pool van de bron n-type HG verbinden met de - pool van de bron vanuit - pool vertrekken vrije elektronen naar het n-gebied en zo naar de depletielaag + pool onttrekt vrije elektronen uit het P-gebied en zo ontstaan er daar gaten  depletielaag wordt smaller  er loopt stroom

Hoofdstuk 7 Elektrische structuur van de halfgeleider 7.8. De LED

Tot slot nog enkele getallen Concentratie vreemde atomen in een extrinsieke halfgeleider is van de grootte-orde 10²² per m³ dwz 1 vreemd atoom op 106 Ge- of Si-atomen breedte van een depletielaag is van de grootte-orde 10-6 m weerstand van een diode in doorlaatzin =  enkele 10-tallen  weerstand van een diode in sperzin =  enkele 106 