$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Halfgeleiders worden veelvuldig gebruikt om elektronica te bouwen en vormen de basis van de wereldwijde halfgeleiderindustrie.
Een halfgeleider is een vaste stof die doorgaans een geleidbaarheid heeft die ligt tussen die van een isolator en die van de meeste metalen zoals koper of goud. Het meest voorkomende type halfgeleidermateriaal is kristallijn silicium, dat beschikbaar is in de vorm van dunne, gepolijste wafers.
Er zijn twee hoofdtypen halfgeleiders, p-type en n-type. Deze worden naast elkaar en in verschillende configuraties vervaardigd om halfgeleiderapparaten zoals p-n-juncties of p-n-p-transistors te bouwen. Elke configuratie bezit unieke elektrische eigenschappen die nuttig zijn in verschillende elektronische apparaten.
Deze video zal de basisprincipes van halfgeleidermateriaal en de eigenschappen van p-n-juncties in de vorm van een diode presenteren. Vervolgens zal het een stapsgewijs protocol illustreren om een diode te karakteriseren, gevolgd door enkele praktische toepassingen van halfgeleiders.
De meeste pure of intrinsieke halfgeleiders, zoals silicium, zijn geen uitstekende elektrische geleiders. Dit komt omdat elke siliciumatoom vier elektronen heeft in zijn valentie of buitenste schil. Het deelt deze elektronen met naburige siliciumatomen om covalente bindingen te vormen, waardoor een roosterstructuur ontstaat die geen vrije elektronen bevat. Zo wordt een halfgeleider geleidender gemaakt door toevoeging van onzuiverheden, een proces dat ook wel doping wordt genoemd, om gedoteerde of extrinsieke halfgeleiders te vormen.
Deze onzuiverheden zijn van twee typen: donors en acceptoren. "Donors", zoals fosfor en arseen, hebben vijf elektronen in hun valentieschil. Vier hiervan worden gebruikt om covalente bindingen te vormen met aangrenzende siliciumatomen. Het resterende elektron is dan vrij om door het rooster te bewegen. Dit type gedoteerde halfgeleider, waarin elektronen de dominante ladingsdragers zijn, wordt een n-type halfgeleider genoemd.
Als de onzuiverheid echter een acceptormolecuul is, zoals boor of aluminium, is het resultaat anders. Deze acceptoren hebben slechts drie elektronen in hun valentieschil. Daarom laat een acceptoratoom, wanneer het bindingen vormt met de omringende siliciumatomen, een gebied van positieve lading achter, een "gat" genaamd, dat effectief gedraagt als een positief geladen elektron. Het gat is nu vrij om door het rooster te bewegen. Dit type gedoteerde halfgeleider, waarin gaten de meerderheid van de ladingsdragers zijn, wordt een p-type halfgeleider genoemd.
Wanneer een gebied op een enkele halfgeleiderkristall of een wafer wordt gedoteerd met donoratomen en een aangrenzend gebied wordt gedoteerd met acceptoratomen, wordt een p-n-junctie gevormd. De interface tussen de p- en de n-gebieden wordt de junctiegrens genoemd.
Op de junctiegrens diffunderen de overtollige elektronen in het n-gebied naar het p-gebied, en tegelijkertijd diffunderen de overtollige gaten in het p-gebied naar het n-gebied.
Als gevolg van deze diffusie worden de donoratomen in het n-gebied immobiele positieve ionen, terwijl de acceptoratomen in het p-gebied immobiele negatief geladen ionen worden. Zo wordt op de grens tussen de p- en n-gebieden een "uitputtingsgebied" gevormd dat tekortschiet aan mobiele elektronen en gaten.
De negatieve ionen in het p-type uitputtingsgebied stoten de elektronen af die diffunderen van het n-gebied naar het p-gebied, terwijl de positieve ionen in het n-type uitputtingsgebied de gaten afstoten die diffunderen van het p-gebied naar het n-gebied.
Met andere woorden, het elektrische veld van de opbouw van ionen in het uitputtingsgebied blokkeert effectief de stroom die over de junctie stroomt. Echter, de stroom kan weer worden doorgevoerd door een spanning over de kruising aan te leggen.
Als een positieve spanningsval wordt toegepast, ook wel "voorwaartse bias" genoemd, vermindert de breedte van het uitputtingsgebied, waardoor het elektrische veld van het gebied afneemt, waardoor elektronen en gaten over de junctie springen en dus stroom door de configuratie stroomt.
Omgekeerd, als een negatieve spanningsval wordt toegepast over de junctie, bekend als "achterwaartse bias", neemt de breedte van het uitputtingsgebied toe. Dit verhoogt op zijn beurt de elektrische veldsterkte en weerstand van het gebied voor het stromen van elektronen en gaten over de junctie.
De stroom stroomt dus alleen in één richting door een p-n-junctie. De Shockley-diode-vergelijking kan worden gebruikt om deze stroom te berekenen als functie van de spanningsval van de diode en de temperatuur. Hier is 'e' de elektronische lading, 'n' is een idealiteitsfactor die karakteriseert hoe een echte diode presteert ten opzichte van een ideale diode, 'Kb' is de constante van Boltzmann en 'Isat' is de kleine lekkage stroom die door het apparaat stroomt, zelfs wanneer het achterwaarts is gepoleerd.
Nadat we de basisprincipes hebben behandeld, laten we nu een stapsgewijs protocol bekijken om een p-n-junctie te karakteriseren. Verkrijg eerst de nodige materialen en instrumenten, namelijk een halfgeleiderdiode, een lichtgevende diode of LED, een stroombron, twee digitale multimeters, een 1 kilo-ohm weerstand, enkele bananenkabels en connectoren, en een thermometer.
Kijk naar de halfgeleiderdiode en verifieer dat er een rode terminal en een zwarte terminal is. De zwarte terminal wordt de kathode genoemd en de rode terminal is de anode.
Verbind vervolgens de weerstand in serie met de anode van de diode. Verbind vervolgens met behulp van de bananenkabels de positieve terminal van de stroombron met het niet-verbonden uiteinde van de weerstand. Verbind vervolgens de kathode van de diode met de positieve terminal van een ampèremeter en de negatieve terminal van de ampèremeter met de negatieve terminal van de stroombron om de kring te sluiten.
De diode is nu voorwaarts gepoleerd. Noteer de temperatuur van de kamer. Stel vervolgens de voeding in om +5 volt gelijkstroom door de kring te voeden.
Omdat de diode voorwaarts is gepoleerd, zou er een stroom door de kring moeten stromen, en een spanningsval over de diode.
Ver