Als je nog niet weet, of niet meer weet wat halfgeleiders zijn, lees dan dit artikel. Om te begrijpen wat je ermee kunt, beginnen we met de atomaire structuur van silicium, die staat links weergegeven in figuur 1. Belangrijk is om te zien dat de eerste twee banen (K en L worden die genoemd) helemaal gevuld zijn, met respectievelijk 2 en 8 elektronen. In de buitenste schil (de M-schil) bevinden zich 4 elektronen.
In een stuk silicium zitten deze atomen in een roosterstructuur. De buitenste 4 elektronen vormen individueel ieder een paar met een elektron van een ander siliciumatoom, zodat ieder atoom vier atomen om zich heen heeft. Dit zie je rechts in figuur 1. Voor het gemak zal ik verder het atoomrooster plat weergeven, maar het is goed om te onthouden dat het een 3D-rooster is.
Doping
Doping in het algemeen is dat je een vreemd element of een vreemde stof toevoegt aan een systeem. In de sport kennen we dat van sporters die stoffen innemen die hun prestaties verbeteren. In ons geval betekent het dat in het rooster van silicium andere atomen worden opgenomen. Dat noemen we ook wel verontreinigingen, maar dat is eigenlijk een vreemd woord want het zorgt niet voor vervuiling en wordt met opzet gedaan voor heel specifieke doelen.
Je kunt silicium onder meer dopen met atomen van boor en antimoon. Het opvallende hiervan is dat deze twee elementen binnen het periodiek systeem in de twee groepen naast die van silicium liggen. Dat betekent dat boor in de buitenste schil precies een elektron minder heeft en antimoon precies een meer dan silicium. Door doping met boor ontstaat een p-type rooster (p van positief) en met antimoon een n-type rooster (n van negatief). Dat zie je in figuur 2.
Het extra elektron dat antimoon inbrengt in het n-type rooster kan voor stroomgeleiding zorgen doordat het vrij makkelijk kan bewegen door het rooster omdat dit elektron geen ‘partner’ heeft in een ander atoom. Bij het p-type met doping met boor is er een elektron minder, dat heet een gat. Ook dit kan stroom geleiden omdat het positieve gat een elektron kan opnemen. Onthoud wel dat hoewel de gedoopte roosters negatief of positief heten, ze elektrisch neutraal zijn en blijven. De atoomkern heeft namelijk ook precies evenveel positieve lading meer of minder.
p-n overgang
Nu komen we bij een zeer krachtige toepassing van doping, de p-n overgang (Engels: p-n junction). In figuur 3 zie je wat dat is.
Doordat je een p-type en een n-type halfgeleider tegen elkaar aanbrengt, dringen de ‘extra’ elektronen van het n-type een klein stukje het p-type in, daar zitten namelijk gaten waar ze in passen. Tegelijk betekent dit diffunderen dat in het n-type gaten ontstaan. Het resultaat is dat bij de overgang van de twee materialen in het n-type een overschot aan negatieve lading in het p-type materiaal ontstaat en aan de andere kant een positieve lading, oftewel er ontstaat een elektrische spanning op de overgang. Dit heet de uitputtingslaag, grenslaag of depletion zone. Deze laag voorkomt dat elektronen verder het p-type indringen, ze worden namelijk tegengehouden door de negatieve spanning. Wat je nu gemaakt hebt is een diode, in figuur 4 zie je er een aantal.
De diode
Een diode heeft een heel bijzondere eigenschap, misschien heb je die bij een practicum al wel eens onderzocht. In de ene richting geleidt hij wel stroom en in de andere richting niet. Hoe komt dat? Met de kennis die je nu hebt kun je dat begrijpen.
Stel je sluit een diode aan op een variabele spanningsbron, zodanig dat de positieve spanning op het p-type materiaal zit en dus de negatieve op de kant van het n-type. Als je deze externe spanning langzaam opvoert zal de positieve kant de negatieve spanning in de depletion zone op een gegeven moment neutraliseren en daarna zorgen voor een positieve spanning aan die kant. Elektronen uit het n-type materiaal zullen naar deze positieve lading bewegen: de diode geleidt. Dit heet forward bias.
Omgekeerd heb je reverse bias, dan wordt er een negatieve spanning op het p-type materiaal gezet. Dan wordt de negatieve spanning aan die kant alleen maar groter en zal er geen stroom gaan lopen.
In figuur 4 zie je ook het symbool van de diode. In de richting van de pijl geleidt hij stroom, in de andere richting loopt de stroom tegen een ‘muur’ aan, zo geleidt hij niet.
Misschien weet je ook dat de geleiding (dus bij schakeling in forward bias) optreedt boven een bepaalde aangelegde spanning, de zogenoemde drempelspanning. Dat is precies de oorspronkelijke spanning die ontstond door de elektronendiffusie in de grenslaag. Deze spanning hangt af van het materiaal waar de diode van gemaakt is, bij silicium is het 0,7 V en bij germanium 0,2 à 0,3 V.
De Led
Dit lampje ken je zeker, zie figuur 5. Led staat voor light emitting diode, oftewel een diode die licht uitzendt.
Een van de gevolgen van de stroom die door de diode loopt is dat de gaten aan de p-type kant steeds blijven ontstaan en dus steeds weer gevuld kunnen worden door elektronen vanuit de geleidingsband. Hierbij verliezen de elektronen energie, de valentieband ligt immers energetisch gezien lager. Net als in een los atoom leidt dit tot emissie van fotonen. In een gewone diode zijn dat fotonen in het infrarooddeel van het spectrum, oftewel warmte. Maar bij een led is het materiaal waaruit de diode is gemaakt zo gekozen dat dit fotonen zijn in het zichtbare deel van het spectrum, oftewel licht. Afhankelijk van het soort materiaal is dat rood, groen of blauw licht.
De zonnecel
Een zonnecel is min of meer een omgekeerde diode. Kijk weer even naar het onderste deel van figuur 3, de depletion zone. Als er een foton op deze zone valt met voldoende energie om de band gap te overwinnen zal een elektron (in het p-type) weer promoveren naar de geleidingsband en daarmee een vrij elektron in het n-type gebied worden. Er loopt dan een stroom. Op zich stopt dat proces vrij snel, de elektronen kunnen niet zomaar terugvloeien, ze moeten dan de afstoting in p-type gebied overwinnen. Maar als je een stroomkring aansluit van het n-type deel naar een p-type deel, dan kunnen die vrijgekomen elektronen weer de ontstane gaten in het p-type deel opvullen en begint het proces opnieuw als het foton geabsorbeerd wordt. In die stroomkring kun je een lamp opnemen of een accu. Zo kun je de ontstane energie (dat wil zeggen geabsorbeerd van het foton) gebruiken of opslaan.
Je ziet ook direct een beperking van een zonnecel. De fotonen die dit proces van stroomopwekking in gang zetten hebben een energie nodig van minimaal de band gap. Dat zijn elektronen in het zichtbare en infraroodgedeelte van het zonnespectrum. Dus niet alle energie van het zonlicht kan op deze manier gebruikt worden. Wellicht dat verbeteringen in de materialen van zonnecellen daar nog verandering in kunnen brengen.
