De recente evolutie op het gebied van elektronica is voornamelijk te danken aan een speciaal soort materiaal waarmee veel prestaties zijn bereikt. Vandaag gaan we u een korte uitleg geven over dat kostbare materiaal dat halfgeleiders wordt genoemd. Bijna 20 jaar eerder hadden we een ander soort vacuümbuizen die in verschillende vormen en maten beschikbaar waren in de elektronica-industrie. Vacuümbuizen waren goed voor die tijd, maar de introductie van halfgeleiders heeft de scène volledig veranderd. Halfgeleiders hebben een laag gewicht, een klein formaat, een eenvoudige constructie, betrouwbaar, effectief, lage kosten en produceren weinig warmte.

Halfgeleidertheorie:

                                            Een halfgeleidermateriaal is een materiaal waarvan de elektrische eigenschappen tussen die van isolatoren en goede geleiders in liggen, b.v. germanium en silicium enz. Met andere woorden, dat materiaal dat de stroom tegenwerkt met 102-ohm × cm, wordt halfgeleider genoemd. Siliciummateriaal wordt het meest gebruikt in industrieën, maar er zijn ook koolstof-, germanium- en galliumarsenide beschikbaar. Volgens de basis van de energiebanden bij kamertemperatuur, hebben deze materialen een lege geleidingsband en een gedeeltelijk gevulde valentieband. Tussen deze banden is er een kleine energiekloof (gelijk aan 1ev). De weerstand van deze materialen neemt af naarmate de temperatuur stijgt, omdat het de energiekloof verkleint. Dit is de reden waarom halfgeleidermateriaal bekend staat als negatieve temperatuurcoëfficiënt.

• Enkele belangrijke termen die worden gebruikt bij het bestuderen van halfgeleiders.

• Valentie-elektronen

Die elektronen die in de laatste baan/schil om de kern draaien, worden valentie-elektronen genoemd. Het atoom is stabiel geworden wanneer valentie-elektronen in hun laatste schil zijn voltooid, er kunnen slechts 8 elektronen in de valentieschil worden ondergebracht. Als het eenmaal is voltooid, kan geen enkel elektron de valentieschil uitzenden of binnengaan. Er zijn 4 elektronen in de valentieschil van silicium en germanium. Silicium wordt ontdekt in 1823, terwijl germanium in 1886 wordt ontdekt.

• Energieschelpen

Die paden rond een kern van een atoom waarin elektronen draaien, worden energieschillen genoemd. Het elektron dat zich op een afstand van de kern bevindt, heeft een hoge energie in vergelijking met dat elektron dat zich in een schil bevindt die gesloten is voor de kern. Deze elektronen zijn sterk verbonden met de kern die zich dicht bij de kern bevindt. Wanneer een atoom energie wint, springt het in de hogere schil weg van de kern, maar wanneer het atoom energie verliest, gaat het terug naar zijn oorspronkelijke schil. Elektrisch is een atoom neutraal vanwege hetzelfde aantal elektronen en protonen dat in een atoom aanwezig is.

• Covalente bindingen of atoombinding

Zoals we weten bevat een siliciumatoom 2 elektronen in zijn eerste schil, 8 elektronen in de tweede en 4 in de valentie of derde schil. Dit geldt voor een enkel atoom, maar wanneer weinig atomen samenkomen, vormen ze een solide automatische rangschikking die kristallijne structuur wordt genoemd. Deze opstelling gebeurt als gevolg van covalente binding. Een covalente binding is dat type binding waarbij twee of meer atomen valentie-schilelektronen met elkaar delen. Zoals we weten, is een atoom elektrisch stabiel maar chemisch onstabiel. Beide dezelfde atomen moeten stabiel zijn, zodat ze hun elektronen delen.

• Gratis elektronen en gaten

Wanneer de omgevingstemperatuur wordt verhoogd vanaf het absolute nulpunt, wordt daar warmte-energie geproduceerd die als resultaat trillingen in silicium/germanium-kristal produceert. Vaak als gevolg van thermische energie, zendt het geëxciteerde elektron uit hun valentieschil. Deze verkiezing wordt nu een vrij elektron genoemd omdat het geen invloed heeft op een kern. Het geëmitteerde elektron laat een leegte achter die werkt als een positieve lading. Dit proces gebeurt in elk atoom dat samen een groot aantal vrije elektronen en gaten geeft.