Elektronen en "gaten''

Zuivere halfgeleiders zijn relatief goede isolatoren in vergelijking met metalen, hoewel lang niet zo goed als een echte isolator zoals glas. Om bruikbaar te zijn in halfgeleidertoepassingen, moet de intrinsieke halfgeleider (zuivere ongedoteerde halfgeleider) mag niet meer dan één onzuiverheidsatoom per 10 miljard halfgeleideratomen bevatten. Dit is analoog aan een korrel zout onzuiverheid in een spoorwagon van suiker. Onzuivere of vuile halfgeleiders zijn aanzienlijk beter geleidend, hoewel niet zo goed als metalen. Waarom zou dit kunnen zijn? Om die vraag te beantwoorden, moeten we kijken naar de elektronenstructuur van dergelijke materialen in onderstaande figuur.

Elektronenstructuur

De figuur hieronder (a) toont vier elektronen in de valentieschil van een halfgeleider die covalente bindingen vormt met vier andere atomen. Dit is een afgeplatte, gemakkelijker te tekenen versie van bovenstaande afbeelding. Alle elektronen van een atoom zijn verbonden in vier covalente bindingen, paren van gedeelde elektronen. Elektronen zijn niet vrij om over het kristalrooster te bewegen. Intrinsieke, zuivere halfgeleiders zijn dus relatief goede isolatoren in vergelijking met metalen.

(a) Een intrinsieke halfgeleider is een isolator met een volledige elektronenschil. (b) Thermische energie kan echter weinig elektron-gatparen creëren, wat resulteert in een zwakke geleiding.

Thermische energie kan af en toe een elektron uit het kristalrooster bevrijden, zoals in bovenstaande figuur (b). Dit elektron is vrij voor geleiding over het kristalrooster. Toen het elektron werd bevrijd, liet het een lege plek achter met een positieve lading in het kristalrooster dat bekend staat als een gat . Dit gat zit niet vast aan het rooster; maar is vrij om te bewegen. Het vrije elektron en het gat dragen beide bij aan de geleiding rond het kristalrooster. Dat wil zeggen, het elektron is vrij totdat het in een gat valt. Dit heet recombinatie . Als een extern elektrisch veld op de halfgeleider wordt aangelegd, zullen de elektronen en gaten in tegengestelde richtingen geleiden. Door de temperatuur te verhogen, neemt het aantal elektronen en gaten toe, waardoor de weerstand afneemt. Dit is het tegenovergestelde van metalen, waar de weerstand toeneemt met de temperatuur door de botsingen van elektronen met het kristalrooster te vergroten. Het aantal elektronen en gaten in een intrinsieke halfgeleider is gelijk. Beide dragers bewegen echter niet noodzakelijk met dezelfde snelheid met de toepassing van een extern veld. Een andere manier om dit te zeggen is dat mobiliteit is niet hetzelfde voor elektronen en gaten.

Halfgeleideronzuiverheden

Zuivere halfgeleiders zijn op zichzelf niet bijzonder nuttig. Halfgeleiders moeten echter als uitgangspunt worden geraffineerd tot een hoog niveau van zuiverheid voordat specifieke onzuiverheden worden toegevoegd.

Halfgeleidermateriaal zuiver tot 1 deel op 10 miljard, kan specifieke onzuiverheden bevatten van ongeveer 1 deel per 10 miljoen om het aantal dragers te vergroten. De toevoeging van de gewenste onzuiverheid aan een halfgeleider staat bekend als doping . Doping verhoogt de geleidbaarheid van een halfgeleider, zodat deze meer vergelijkbaar is met metaal dan met een isolator.

Het is mogelijk om het aantal negatieve ladingsdragers binnen het halfgeleiderkristalrooster te vergroten door dotering met een elektronen donor zoals fosfor. Elektronendonoren, ook bekend als N-type doteermiddelen omvatten elementen uit groep VA van het periodiek systeem:stikstof, fosfor, arseen en antimoon. Stikstof en fosfor zijn N-type doteringsmiddelen voor diamant. Fosfor, arseen en antimoon worden gebruikt met silicium.

Het kristalrooster in onderstaande figuur (b) bevat atomen met vier elektronen in de buitenste schil, die vier covalente bindingen vormen met aangrenzende atomen. Dit is het verwachte kristalrooster. De toevoeging van een fosforatoom met vijf elektronen in de buitenste schil introduceert een extra elektron in het rooster in vergelijking met het siliciumatoom. De vijfwaardige onzuiverheid vormt vier covalente bindingen aan vier siliciumatomen met vier van de vijf elektronen, passend in het rooster met één overblijvend elektron. Merk op dat dit reserve-elektron niet zo sterk aan het rooster is gebonden als de elektronen van normale Si-atomen. Het is vrij om over het kristalrooster te bewegen, niet gebonden aan de fosforroosterplaats. Omdat we een deel fosfor hebben gedoteerd in 10 miljoen siliciumatomen, zijn er weinig vrije elektronen gecreëerd in vergelijking met de vele siliciumatomen. Er werden echter veel elektronen gecreëerd in vergelijking met de minder elektron-gatparen in intrinsiek silicium. Toepassing van een extern elektrisch veld produceert sterke geleiding in de gedoteerde halfgeleider in de geleidingsband (boven de valentieband). Een zwaarder dopingniveau zorgt voor een sterkere geleiding. Zo is een slecht geleidende intrinsieke halfgeleider omgezet in een goede elektrische geleider.

(a) De elektronenconfiguratie van de buitenste schil van donor N-type fosfor, silicium (ter referentie) en acceptor P-type boor. (b) N-type donoronzuiverheid creëert vrij elektron (c) P-type acceptoronzuiverheid creëert het gat, een positieve ladingsdrager.

Het is ook mogelijk om een ​​onzuiverheid te introduceren die een elektron mist in vergelijking met silicium, met drie elektronen in de valentieschil in vergelijking met vier voor silicium. In figuur hierboven (c) laat dit een lege plek achter die bekend staat als een gat , een positieve ladingsdrager. Het booratoom probeert zich te binden aan vier siliciumatomen, maar heeft slechts drie elektronen in de valentieband. Bij een poging vier covalente bindingen te vormen, bewegen de drie elektronen rond en proberen ze vier bindingen te vormen. Hierdoor lijkt het gat te bewegen. Bovendien kan het driewaardige atoom een ​​elektron lenen van een aangrenzend (of verder weg gelegen) siliciumatoom om vier covalente bindingen te vormen. Hierdoor blijft het siliciumatoom echter één elektron tekort. Met andere woorden, het gat is verplaatst naar een aangrenzend (of verder weg gelegen) siliciumatoom. Gaten bevinden zich in de valentieband, een niveau onder de geleidingsband. Doping met een elektron acceptor , een atoom dat een elektron kan accepteren, creëert een tekort aan elektronen, hetzelfde als een overmaat aan gaten. Omdat gaten positieve ladingsdragers zijn, staat een doteerstof voor elektronenacceptor ook bekend als een P-type dotering. Het P-type doteringsmiddel verlaat de halfgeleider met een overmaat aan gaten, positieve ladingsdragers. De P-type elementen uit groep IIIA van het periodiek systeem omvatten boor, aluminium, gallium en indium. Borium wordt gebruikt als een P-type doteringsmiddel voor silicium- en diamanthalfgeleiders, terwijl indium wordt gebruikt met germanium.

De "marmer in een buis" analogie met elektronengeleiding in onderstaande figuur relateert de beweging van gaten met de beweging van elektronen. De knikker stelt elektronen voor in een geleider, de buis. De beweging van elektronen van links naar rechts zoals in een draad of N-type halfgeleider wordt verklaard door een elektron dat de buis aan de linkerkant binnengaat en de uitgang van een elektron aan de rechterkant forceert. Geleiding van N-type elektronen vindt plaats in de geleidingsband. Vergelijk dat met de beweging van een gat in de valentieband.

Marmer in een buis analogie:(a) Elektronen bewegen naar rechts in de geleidingsband als elektronen de buis binnenkomen. (b) Het gat beweegt naar rechts in de valentieband terwijl elektronen naar links bewegen.

Om een ​​​​gat aan de linkerkant van figuur hierboven (b) binnen te laten, moet een elektron worden verwijderd. Bij het verplaatsen van een gat van links naar rechts, moet het elektron van rechts naar links worden verplaatst. Het eerste elektron wordt uit het linker uiteinde van de buis uitgestoten, zodat het gat naar rechts in de buis kan bewegen. Het elektron beweegt in de tegenovergestelde richting van het positieve gat. Naarmate het gat verder naar rechts beweegt, moeten elektronen naar links bewegen om het gat op te vangen. Het gat in de afwezigheid van een elektron in de valentieband als gevolg van P-type doping. Het heeft een gelokaliseerde positieve lading. Om het gat in een bepaalde richting te verplaatsen, bewegen de valentie-elektronen in de tegenovergestelde richting.

Elektronenstroom in een N-type halfgeleider is vergelijkbaar met elektronen die in een metalen draad bewegen. De N-type doteringsatomen zullen elektronen opleveren die beschikbaar zijn voor geleiding. Deze elektronen staan, vanwege de doteringsstof, bekend als meerderheidsdragers , want ze zijn in de meerderheid in vergelijking met de weinige thermische gaten. Als een elektrisch veld wordt aangelegd over de N-type halfgeleiderstaaf in het onderstaande figuur (a), komen elektronen het negatieve (linker) uiteinde van de staaf binnen, doorkruisen het kristalrooster en verlaten rechts de (+) batterijterminal.

(a) Een n-type halfgeleider met elektronen die van links naar rechts door het kristalrooster bewegen. (b) Een p-type halfgeleider met gaten die van links naar rechts bewegen, wat overeenkomt met elektronen die in de tegenovergestelde richting bewegen.

De stroom in een halfgeleider van het P-type is iets moeilijker uit te leggen. Het P-type doteringsmiddel, een elektronenacceptor, levert gelokaliseerde gebieden met positieve lading op die bekend staan ​​​​als gaten. De meerderheidsdrager in een P-type halfgeleider is het gat. Terwijl gaten zich vormen op de driewaardige doteringsatoomplaatsen, kunnen ze rond de halfgeleiderstaaf bewegen. Merk op dat de batterij in afbeelding hierboven (b) is omgekeerd van (a). De positieve accupool is verbonden met het linkeruiteinde van de P-type staaf. De elektronenstroom gaat uit de negatieve accupool, via de P-type balk, en keert terug naar de positieve accupool. Een elektron dat het positieve (linker) uiteinde van de halfgeleiderstaaf verlaat voor de positieve batterijpool, laat een gat in de halfgeleider achter, dat naar rechts kan bewegen. Gaten doorkruisen het kristalrooster van links naar rechts. Aan het negatieve uiteinde van de balk combineert een elektron uit de batterij met een gat, waardoor het wordt geneutraliseerd. Dit maakt ruimte voor een ander gat om naar binnen te gaan aan het positieve uiteinde van de balk naar rechts. Houd er rekening mee dat als gaten van links naar rechts bewegen, het eigenlijk de elektronen zijn die in de tegenovergestelde richting bewegen die verantwoordelijk zijn voor de schijnbare beweging van het gat.

Elementen die worden gebruikt om halfgeleiders te produceren

De elementen die worden gebruikt om halfgeleiders te produceren, zijn samengevat in onderstaande afbeelding. Het oudste bulk-halfgeleidermateriaal germanium uit groep IVA wordt vandaag de dag nog maar in beperkte mate gebruikt. Op silicium gebaseerde halfgeleiders zijn goed voor ongeveer 90% van de commerciële productie van alle halfgeleiders. Op diamant gebaseerde halfgeleiders zijn een onderzoeks- en ontwikkelingsactiviteit met een aanzienlijk potentieel op dit moment. Samengestelde halfgeleiders die niet op de lijst staan, zijn onder meer siliciumgermanium (dunne lagen op Si-wafels), siliciumcarbide en III-V-verbindingen zoals galliumarsenide. III-VI samengestelde halfgeleiders omvatten AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al_x Ga_1-x Als, en In_x Ga_1-x Als. Kolommen II en VI van het periodiek systeem, niet weergegeven in de figuur, vormen ook samengestelde halfgeleiders.

Groep IIIA P-type doteringsmiddelen, groep IV basis halfgeleidermaterialen en groep VA N-type doteringen.

De belangrijkste reden voor de opname van de IIIA- en VA-groepen in de bovenstaande afbeelding is om de doteermiddelen te tonen die worden gebruikt met de groep IVA-halfgeleiders. Groep IIIA-elementen zijn acceptoren, P-type doteermiddelen, die elektronen accepteren die een gat in het kristalrooster achterlaten, een positieve drager. Borium is het P-type doteringsmiddel voor diamant en het meest voorkomende doteringsmiddel voor siliciumhalfgeleiders. Indium is het P-type doteringsmiddel voor germanium.

Groep VA-elementen zijn donoren, N-type doteermiddelen, die een vrij elektron opleveren. Stikstof en fosfor zijn geschikte N-type doteringsmiddelen voor diamant. Fosfor en arseen zijn de meest gebruikte N-type doteringsmiddelen voor silicium; antimoon kan echter worden gebruikt.

BEOORDELING:

• Intrinsieke halfgeleidermaterialen, zuiver tot 1 deel op 10 miljard, zijn slechte geleiders.
• Een N-type halfgeleider wordt gedoteerd met een vijfwaardige onzuiverheid om vrije elektronen te creëren. Dergelijk materiaal is geleidend. Het elektron is de meerderheidsdrager.
• P-type halfgeleider, gedoteerd met een driewaardige onzuiverheid, heeft een overvloed aan vrije gaten. Dit zijn positieve ladingsdragers. Het P-type materiaal is geleidend. Het gat is de grootste drager.
• De meeste halfgeleiders zijn gebaseerd op elementen uit groep IVA van het periodiek systeem, silicium komt het meest voor. Germanium is zo goed als achterhaald. Carbon (diamant) wordt ontwikkeld.
• Samengestelde halfgeleiders zoals siliciumcarbide (groep IVA) en galliumarsenide (groep III-V) worden veel gebruikt.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Elektrische geleiding in halfgeleiders werkblad