De recente evolutie in elektronica is voornamelijk te danken aan een speciaal type materiaal: halfgeleiders (semiconductors). Ongeveer 20 jaar geleden domineerden buizen (vacuum tubes) in diverse vormen en maten. Buizen waren goed voor die tijd, maar halfgeleiders veranderden alles. Kenmerken: lichtgewicht, klein, simpele constructie, betrouwbaar, effectief, laag kostprijs, lage warmteproductie.

Halfgeleidertheorie:

Een halfgeleider materiaal heeft elektrische eigenschappen tussen isolatoren en goede geleiders in (bijv. germanium, silicium). Anders gezegd: materiaal dat stroom weerstaat met 10² Ω·cm. Silicium is industrieel meest gebruikt; ook koolstof, germanium, galliumarsenide beschikbaar.

Op basis van energiebanden bij kamertemperatuur: deze materialen hebben een lege geleidingsband en een gedeeltelijk gevulde valentieband. Tussen beide bands zit een klein energieverschil (~1 eV). Weerstand neemt af bij temperatuurstijging (energieverschil krimpt). Daarom: halfgeleiders hebben een negatieve temperatuurcoëfficiënt.

Belangrijke termen in halfgeleiderkunde

Valentie-elektronen

Electronen in de buitenste schil/baan rond de kern. Atoom stabiel als valentieschil vol (max 8 elektronen). Vol → geen elektronen in/uit. Silicium en germanium hebben 4 valentie-elektronen. Silicium ontdekt 1823, germanium 1886.

Energieschillen

Banen waar elektronen rond de kern bewegen. Verder van kern = hogere energie. Elektronen dicht bij kern zijn sterker gebonden. Atoom wint energie → elektronen springen naar hogere schil. Verliest energie → terug naar oorspronkelijke schil. Elektrisch neutraal: evenveel elektronen als protonen.

Covalente bindingen (atoombinding)

Siliciumatoom: 2e (1e schil), 8e (2e schil), 4e (valentie/3e schil). Bij combinatie van atomen ontstaat kristallijne structuur door covalente binding: atomen delen valentie-elektronen. Elektrisch stabiel, chemisch onstabiel → delen voor stabiliteit.

Vrije elektronen en gaten (holes)

Temperatuurstijging vanaf absoluut nul → warmte → trillingen in kristal. Thermische energie zorgt dat elektronen valentieschil verlaten → vrije elektronen (geen kernbinding). Achtergelaten leegte = gat (gedraagt zich als positieve lading). Proces in elk atoom → grote hoeveelheid vrije elektronen en gaten.