Introduction to Chemistry

termen

• halfgeleidersubstantie met elektrische eigenschappen tussen die van een goede geleider en die van een goede isolator
• geleiding iets dat elektriciteit, warmte, licht of geluid kan overbrengen
• gedoteerd een halfgeleider die kleine hoeveelheden elementen heeft toegevoegd om ladingsdragers te creëren

Halfgeleiders zijn materialen die eigenschappen hebben van beide normale geleiders en isolatoren., Halfgeleiders kunnen in twee grote categorieën worden ingedeeld: intrinsieke halfgeleiders bestaan uit slechts één soort materiaal; silicium en germanium zijn twee voorbeelden. Deze worden ook wel” undoped semiconductors “of” I-type semiconductors. “

extrinsieke halfgeleiders zijn daarentegen intrinsieke halfgeleiders waarbij andere stoffen worden toegevoegd om hun eigenschappen te veranderen, dat wil zeggen dat zij met een ander element zijn gedoteerd.,

intrinsieke halfgeleiders

in de klassieke kristallijne halfgeleiders kunnen elektronen slechts energie hebben binnen bepaalde banden (bereik van energieniveaus). De energie van deze banden ligt tussen de energie van de grondtoestand en de vrije elektronenenergie (de energie die nodig is om een elektron volledig uit het materiaal te laten ontsnappen). De energiebanden komen overeen met een groot aantal discrete kwantumtoestanden van de elektronen. De meeste staten met lage energie (dichter bij de kern) zijn bezet, tot aan een bepaalde band genaamd de valence band.,

Halfgeleiders en isolatoren onderscheiden zich van metalen door de populatie elektronen in elke band. De valentieband in een bepaald metaal is onder normale omstandigheden bijna gevuld met elektronen. In halfgeleiders bestaan er slechts enkele elektronen in de geleidingsband net boven de valentieband, en een isolator heeft bijna geen vrije elektronen.

halfgeleiders en isolatoren worden verder onderscheiden door de relatieve bandkloof. In halfgeleiders is de bandkloof klein, waardoor elektronen de geleidingsband kunnen bevolken. In isolatoren is het groot, waardoor het moeilijk is voor elektronen om door de geleidingsband te stromen.

extrinsieke halfgeleiders

de naam “extrinsieke halfgeleider” kan enigszins misleidend zijn., Terwijl isolerende materialen kunnen worden gedoteerd om halfgeleiders te worden, intrinsieke halfgeleiders kunnen ook worden gedoteerd, wat resulteert in een extrinsieke halfgeleider. Er zijn twee soorten extrinsieke halfgeleiders die het gevolg zijn van doping: atomen die een extra elektron hebben (N-type voor negatief, uit groep V, zoals fosfor) en atomen die één elektron minder hebben (p-type voor positief, uit groep III, zoals boor).

bij de productie van halfgeleiders introduceert doping opzettelijk onzuiverheden in een uiterst zuivere of intrinsieke halfgeleider om de elektrische eigenschappen ervan te veranderen., De onzuiverheden zijn afhankelijk van het type halfgeleider. Licht en matig gedoteerde halfgeleiders worden extrinsiek genoemd. Wanneer een halfgeleider op zo ‘ n hoog niveau wordt gedoteerd dat het meer als een geleider dan een halfgeleider werkt, wordt het gedegenereerd genoemd.

n-type halfgeleiders

N-type halfgeleiders zijn een type extrinsieke halfgeleider waarin de dopantatomen extra geleidingselektronen kunnen leveren aan het gastmateriaal (bv. fosfor in silicium). Dit leidt tot een overmaat aan negatieve (n-type) elektronen ladingsdragers.,

Dopingatoom heeft gewoonlijk één valentie-elektron meer dan één type van de gastatomen. Het meest voorkomende voorbeeld is atomaire substitutie in groep-IV vaste stoffen door groep-V elementen. De situatie is onzekerder wanneer de gastheer meer dan één type atoom bevat., In III-V-halfgeleiders zoals galliumarsenide kan silicium bijvoorbeeld een donor zijn wanneer het gallium vervangt of een acceptor wanneer het arseen vervangt. Sommige donoren hebben minder valentie-elektronen dan de gastheer, zoals alkalimetalen, die donors zijn in de meeste vaste stoffen.

p-type halfgeleiders

een P-type (P voor “positieve”) halfgeleider wordt gecreëerd door een bepaald type atoom aan de halfgeleider toe te voegen om het aantal gratis ladingsdragers te vergroten. Wanneer het dopingmateriaal wordt toegevoegd, neemt het zwak gebonden buitenste elektronen weg (accepteert) van de halfgeleideratomen., Dit type van dopingagent wordt ook genoemd geworden acceptormateriaal, en de leegstand die door het elektron wordt achtergelaten wordt genoemd geworden gat. Het doel van P-type doping is om een overvloed aan gaten te creëren.

in het geval van silicium wordt een trivalent atoom vervangen door het kristalrooster., Het resultaat is dat er één elektron ontbreekt in een van de vier covalente bindingen die normaal gesproken deel uitmaken van het siliciumrooster. Daarom kan het dopantatoom een elektron van de covalente binding van een naburig atoom accepteren om de vierde binding te voltooien. Daarom worden deze dopers acceptoren genoemd.

wanneer het dopantatoom een elektron accepteert, veroorzaakt dit het verlies van de helft van een binding van het naburige atoom, wat resulteert in de vorming van een gat. Elk gat wordt geassocieerd met een nabijgelegen negatief geladen dopant ion, en de halfgeleider blijft over het algemeen elektrisch neutraal., Echter, zodra elk gat in het rooster is afgedwaald, zal één proton in het atoom op de locatie van het gat worden “blootgesteld” en niet langer worden geannuleerd door een elektron. Dit atoom zal drie elektronen en een gat rond een bepaalde kern met vier protonen hebben.

om deze reden gedraagt een gat zich als een positieve lading. Wanneer een voldoende groot aantal acceptoratomen worden toegevoegd, overtreffen de gaten sterk thermisch opgewekte elektronen. Dus, gaten zijn de meerderheid dragers, terwijl elektronen worden minderheid dragers in P-type materialen.