In dit artikel zullen we wat meer te weten komen over halfgeleiderelementen in het algemeen, wat enkele algemeen bekende types halfgeleiderelementen zijn en vele andere aspecten van halfgeleiders.
Outline
Inleiding
In de afgelopen 70 jaar zijn halfgeleiders een cruciaal element geworden in de fabricage van elektronica. Sinds de uitvinding van de transistor heeft de wereld van de elektronica altijd een exponentiële ontwikkeling doorgemaakt op het gebied van onderzoek, ontwikkeling, fabricage, het op de markt brengen van nieuwe apparaten en technologieën.
Elektronische apparaten hebben alles te maken met het verwerken van informatie, d.w.z. hoge-snelheidstransmissie, verwerving en verwerking op het gebied van industrie en fabricage, communicatie, kunst, geneeskunde en zelfs in oorlogsvoering.
Maar al deze zaken kunnen worden teruggebracht tot het hart van de moderne elektronica en de fabricage ervan: Halfgeleiders.
Ondanks dat een elektronisch systeem wordt vervaardigd met behulp van metalen, isolatoren en halfgeleiders (waarover later meer), worden de halfgeleiders beschouwd als de ruggengraat van de elektronica.
Wat is een Halfgeleider?
Voordat we ingaan op de discussie over de verschillende types halfgeleiders, is het van essentieel belang om een idee te hebben van wat een halfgeleider is.
Nauwkeurig gezegd zijn halfgeleiders materialen die noch geleider noch isolator zijn. Als we hier wat dieper op ingaan, worden materialen ingedeeld in Geleiders, Isolatoren en Halfgeleiders op basis van hun vermogen om elektriciteit te geleiden.
Geleiders zijn materialen met een zeer goed elektrisch geleidend vermogen. Gewoonlijk hebben metalen een goed elektrisch geleidingsvermogen en vindt u koper of aluminium in de elektrische bedrading van uw huis.
Integendeel, isolatoren zijn materialen met een zeer slecht elektrisch geleidingsvermogen. Glas, hout en papier zijn goede voorbeelden van isolatoren.
Laten we het nu hebben over de belangrijke categorie materialen voor onze discussie, namelijk de halfgeleiders. Bij kamertemperatuur zijn halfgeleiders materialen met een lager elektrisch geleidingsvermogen dan geleiders, maar met een hoger elektrisch geleidingsvermogen dan isolatoren.
NOOT: Voor een gedetailleerder begrip van halfgeleiders moet je diep graven in de prachtig ingewikkelde Quantum Mechanica, die “zeker” buiten het bestek van deze bespreking valt.
Halfgeleidermaterialen
In termen van elektrische geleiding met eenheden van Ω-1 cm-1, zijn halfgeleidermaterialen die met elektrische geleiding tussen 10-9 Ω-1 cm-1 en 102 Ω-1 cm-1.
Traditioneel worden elementen van groep IV zoals Silicium (Si) en Germanium (Ge) beschouwd als de Elementaire Halfgeleidermaterialen, d.w.z. halfgeleiders met slechts één atoomsoort.
Er zijn andere soorten halfgeleidermaterialen die kunnen worden gevormd door elementen van groep III te combineren met die van elementen van groep V en zij staan bekend als samengestelde halfgeleiders. Galliumarsenide (GaAs) is het bekendste halfgeleidermateriaal in deze categorie en het komt in feite na Silicium op de tweede plaats als het meest gebruikte halfgeleidermateriaal.
Wat zijn halfgeleiderelementen?
In eenvoudige bewoordingen zijn halfgeleiderelementen een soort elektronische componenten die zijn ontworpen, ontwikkeld en vervaardigd op basis van halfgeleidermaterialen zoals Silicium (Si), Germanium (Ge) en Galliumarsenide (GaAs).
Sinds hun gebruik eind jaren ’40 (of begin jaren ’50) zijn halfgeleiders het belangrijkste materiaal geworden bij de fabricage van elektronica en varianten daarvan zoals opto-elektronica en thermo-elektronica.
Vóór het gebruik van halfgeleidermaterialen in elektronische apparaten, werden vacuümbuizen gebruikt bij het ontwerpen van elektronische componenten. Het belangrijkste verschil tussen vacuümbuizen en halfgeleiderapparaten is dat in vacuümbuizen, de geleiding van elektronen in gasvormige toestand gebeurt terwijl in het geval van halfgeleiderapparaat, het in “vaste toestand” gebeurt.
Semiconductorapparaten kunnen als zowel discrete componentenapparaten als geïntegreerde schakelingen worden gevonden.
Waarom halfgeleiders?
De belangrijkste reden om halfgeleiderelementen (en dus ook de onderliggende halfgeleidermaterialen) te gebruiken bij de fabricage van elektronische apparaten en componenten is de mogelijkheid om het geleidingsvermogen van ladingsdragers, d.w.z. elektronen en gaten, gemakkelijk te manipuleren.
Zoals eerder vermeld, ligt het elektrische geleidingsvermogen van halfgeleidermaterialen tussen dat van geleiders en isolatoren. Zelfs dit geleidingsvermogen kan verder worden gecontroleerd door externe of interne factoren zoals elektrisch veld, magnetisch veld, licht, temperatuur en mechanische vervorming.
In het licht van de externe factoren zoals temperatuur en licht voor nu, een proces genaamd Doping wordt over het algemeen uitgevoerd om de halfgeleidermaterialen, waar een onzuiverheid wordt geïntroduceerd in de structuur om de structurele en elektrische eigenschappen te veranderen.
Een zuivere halfgeleider staat bekend als Intrinsieke Halfgeleider, terwijl een onzuivere of gedopeerde halfgeleider bekend staat als Extrinsieke Halfgeleider.
Wanneer het aantal vrije elektronen in de halfgeleiderstructuur na doping toeneemt, staat de halfgeleider bekend als n-type halfgeleider. Op dezelfde manier, als de gaten worden verhoogd, is het bekend als p-type halfgeleider.
Verschillende soorten halfgeleiderinrichtingen
Hierna volgt een kleine lijst van enkele van de meest gebruikte halfgeleiderinrichtingen. Gebaseerd op de fysieke structuur van het apparaat, is de volgende lijst gecategoriseerd in twee-terminale apparaten en drie-terminale apparaten.
Twee-terminal halfgeleiderelementen
- Diode
- Schottky Diode
- Light Emitting Diode (LED)
- DIAC
- Zener Diode
- Photo Diode (Fototransistor)
- PIN Diode
- Laser Diode
- Tunnel Diode
- Photo Cell
- Solar Cell
- Gunn Diode
- IMPATT Diode
- TVS Diode (Transient Voltage Suppression Diode)
- VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)
Drie-drievoudige halfgeleiderelementen
- Bipolaire transistor
- Veldeffecttransistor
- Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
- Darlington Transistor
- Silicon Controlled Rectifier (SCR)
- TRIAC
- Thyristor
- Unijunction Transistor
Er zijn ook een paar vier-halfgeleiders zoals Optocoupler (fotocoupler) en Hall-effect Sensor.
Voor meer informatie over enkele van de bovengenoemde halfgeleiderelementen, lees “P-N Junction Diode”, “Transistor”, “Thyristor”.
Toepassingen van halfgeleiderelementen
Zoals eerder vermeld, zijn halfgeleiderelementen de basis van bijna alle elektronische apparaten. Enkele toepassingen van halfgeleiderelementen zijn:
- Transistoren zijn de belangrijkste componenten in diverse geïntegreerde schakelingen zoals Microprocessoren.
- In feite zijn zij de belangrijkste componenten in de bouw van logische poorten en andere digitale schakelingen.
- Transistoren worden ook gebruikt in analoge schakelingen zoals versterkers en oscillatoren.