halfgeleiders
halfgeleiders kunnen worden onderscheiden als intrinsiek en extrinsiek naargelang de kwestie van zuiverheid. P-type en N-type halfgeleiders vallen beide onder extrinsieke halfgeleiders. Dus, wat is het verschil?
Halfgeleiders hebben een monumentale impact op onze wereld. Ze worden gevonden in het hart van elk elektrisch apparaat dat is geautomatiseerd of radiogolven gebruikt. Ze zijn vaak gemaakt van silicium, vandaar de naam Silicon Valley waar veel van de grootste technologiebedrijven van vandaag te vinden zijn – silicium is de kern van vrijwel elk elektronisch apparaat.,
silicium wordt zo veel gebruikt in halfgeleiders omdat het een overvloedig element is – het kan bijvoorbeeld worden gevonden in zand en kwarts – dat een ideale elektronische structuur heeft. Met vier elektronen in zijn buitenste baan, kan silicium mooie kristalstructuren vormen en de vier elektronen kunnen perfecte covalente bindingen vormen met vier naburige atomen om een rooster te creëren.
in koolstof, een ander element met vier elektronen in zijn buitenbaan, staat deze kristalstructuur bekend als een diamant., In silicium is deze kristallijne structuur een zilverachtige, metallisch ogende substantie. Hoewel ze er metallisch uitzien, zijn siliciumkristallen in feite geen metalen; een siliciumkristal is een bijna-isolator en er zal slechts een kleine hoeveelheid elektriciteit doorheen stromen.
door het dopen van silicium kan dit echter allemaal worden veranderd, en dit is wanneer p-en n-type halfgeleiders worden gevormd.
inzicht in P – en n-type halfgeleiders
in halfgeleiders zoals silicium is doping een proces dat opzettelijk onzuiverheden in een intrinsieke halfgeleider introduceert., Het gaat om een chemische reactie die onzuiverheden toestaat om ionenbindingen met siliciumatomen in zijn kristal te vormen.
doping heeft tot doel de elektrische, optische en structurele eigenschappen ervan te moduleren. Wanneer een halfgeleider doping heeft ondergaan, wordt het dan aangeduid als een extrinsieke halfgeleider. Een halfgeleider in een zuivere, niet-gedoopte vorm is daarentegen een intrinsieke halfgeleider.
bij siliciumdoping zijn er twee soorten onzuiverheden: n-type en p-type.
bij doping van het n-type wordt arseen of fosfor in kleine hoeveelheden aan het silicium toegevoegd., Beide elementen hebben vijf elektronen in hun buitenste orbitalen en dus zijn ze niet misplaatst wanneer ze in de silicium kristallijne structuur komen. Omdat het vijfde elektron niets heeft om zich aan te binden, is het vrij om te bewegen, waardoor een elektrische stroom door het silicium stroomt.
bij doping van het P-type wordt borium of gallium gebruikt als dopingmiddel. Deze elementen hebben elk drie elektronen in hun buitenste orbitalen. Wanneer ze in het siliciumrooster worden gemengd, vormen ze ‘gaten’ in de valentieband van siliciumatomen., Dit betekent dat de elektronen in de valentieband mobiel worden, en de gaten in de tegenovergestelde richting bewegen van de beweging van de elektronen. Omdat de doping in het kristalrooster is gefixeerd, kunnen alleen de positieve ladingen bewegen. Door de positieve gaten staan deze halfgeleiders bekend als” p-type “(of” P-geleidend “of”p-gedoteerd”).
dus, wat is het verschil?
in n-type silicium hebben de elektronen een negatieve lading, vandaar de naam n-type., In P-type silicium wordt het effect van een positieve lading gecreëerd in de afwezigheid van een elektron, vandaar de naam p-type.
het materiaalverschil tussen n-en p-type doping is de richting waarin de elektronen door de afgezette lagen van de halfgeleider stromen. Zowel n-als p-type silicium zijn goed (maar niet geweldig!) geleiders van elektriciteit.
het samenvoegen van
n – en p-type silicium is op zich niet verbazingwekkend. Wanneer je ze samenvoegt, echter, wordt interessant gedrag tentoongesteld op de kruising tussen de twee.,
Een diode is het eenvoudigste voorbeeld van een halfgeleider die zowel n – als p-type silicium gebruikt. Hiermee kan een elektrische stroom in één richting stromen. Stel je een draaischijf voor in een voetbalstadion – een diode is een draaischijfpoort voor elektronen.
alles komt neer op de p-n junctie., N-type silicium heeft extra elektronen en er zijn atomen aan de p-kant die elektronen nodig hebben, dus elektronen migreren over de kruising. (Alternatief: de P-kant heeft extra gaten, en er zijn atomen aan de n-kant die gaten nodig hebben, dus de gaten migreren over de kruising.) Deze elektronen en gaten – dragers van elektrische lading – in de buurt van de kruising combineren en opheffen elkaar uit, waardoor een neutrale ‘uitputting’ zone waar geen elektrische lading stroomt.,
atomen aan weerszijden van de depletiezone willen echter elektronen verwerven / gaten verwijderen om neutraal te worden, maar omdat er geen gratis ladingsdragers in de depletiezone zijn, kunnen ze dat niet doen. Ze trekken aan de ladingdragers die de kruising overstaken, maar omdat de depletiezone geen ladingdragers heeft om op te geven, beweegt er niets over.
door een elektrisch veld op het p-n-knooppunt aan te brengen (bijvoorbeeld door een batterij te gebruiken) kunt u het knooppunt van de diode omzetten in een isolator of een geleider.,
Als u het negatieve (-ve) uiteinde van de batterij aansluit op de p-zijde en het positieve (+ve) uiteinde op de n-zijde (‘reverse bias’), worden gratis ladingsdragers opzij getrokken en wordt de uitputtingszone verbreed. Dit verandert de verbinding in een isolator en remt verder elektrische stroom.
echter, als u het-ve-uiteinde van de batterij aansluit op de n-zijde en het +ve-uiteinde op de p-zijde (‘voorwaartse bias’), worden ladingdragers in het midden geduwd, waardoor de uitputtingszone wordt uitgeschakeld en de p-n-verbinding wordt omgezet in een geleider., Dit komt omdat gaten aan de p-kant worden afgestoten door het +ve uiteinde van de batterij en elektronen aan de n-kant worden afgestoten door het-ve uiteinde van de batterij. Atomen op de kruising kunnen nu ladingsdragers aan elkaar overdragen, waardoor de stroom vrij kan stromen.
Dit is een zeer basaal voorbeeld van hoe het meest elementaire type halfgeleiderapparaat, de diode, werkt. Als je er een paar miljard bij elkaar zet, heb je een computerchip.