Hoofdstuk 7 Elektrische structuur van de halfgeleider

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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

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

8. 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

9. 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

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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

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

17. 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

18. 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

19. Hoofdstuk 7Elektrische structuur van de halfgeleider 7.5. Enkele toepassingen

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. Hoofdstuk 7Elektrische structuur van de halfgeleider 7.6. De halfgeleiderdiode

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

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

29. 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

30. 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

31. Hoofdstuk 7Elektrische structuur van de halfgeleider 7.8. De LED

32. 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