Halfgeleiderinrichting, elektronische schakelingscomponent gemaakt van een materiaal dat noch een goede geleider noch een goede isolator is (vandaar halfgeleider). Dergelijke apparaten hebben brede toepassingen gevonden vanwege hun compactheid, betrouwbaarheid en lage kosten. Als afzonderlijke componenten zijn ze gebruikt in voedingsapparaten, optische sensoren en lichtzenders, waaronder solid-state lasers. Ze hebben een breed scala aan stroom- en spanningsverwerkingsmogelijkheden, met stroomwaarden van een paar nanoampers (10 −9ampère) tot meer dan 5.000 ampère en spanningswaarden boven 100.000 volt. Wat nog belangrijker is, halfgeleiderelementen lenen zich voor integratie in complexe maar gemakkelijk te vervaardigen micro-elektronische schakelingen. Ze zijn en zullen in de nabije toekomst de belangrijkste elementen zijn voor de meeste elektronische systemen, waaronder communicatie-, consumenten-, gegevensverwerkings- en industriële controleapparatuur.
Halfgeleider- en verbindingsprincipes
Halfgeleidermaterialen
Solid-state materialen worden gewoonlijk gegroepeerd in drie klassen: isolatoren, halfgeleiders en geleiders. (Bij lage temperaturen kunnen sommige geleiders, halfgeleiders en isolatoren supergeleiders worden.) Figuur 1 toont de geleidbaarheid σ (en de bijbehorende weerstand ρ = 1 / σ) die geassocieerd zijn met enkele belangrijke materialen in elk van de drie klassen. Isolatoren, zoals gesmolten kwarts en glas, hebben zeer lage geleidbaarheid in de orde van 10 -18 10 -10 Siemens per centimeter; en geleiders, zoals aluminium, hebben een hoge geleidbaarheid, kenmerkend 10 4 om 10 6 Siemens per centimeter. De geleidbaarheid van halfgeleiders ligt tussen deze uitersten.
De geleidbaarheid van een halfgeleider is over het algemeen gevoelig voor temperatuur, verlichting, magnetische velden en kleine hoeveelheden onzuivere atomen. Zo kan bijvoorbeeld de toevoeging van minder dan 0,01 procent van een bepaald type onzuiverheid de elektrische geleidbaarheid van een halfgeleider met vier of meer grootteorden (dwz 10.000 keer) verhogen. Het bereik van halfgeleidergeleiding als gevolg van onzuiverheidsatomen voor vijf gemeenschappelijke halfgeleiders wordt gegeven in figuur 1.
De studie van halfgeleidermaterialen begon in het begin van de 19e eeuw. Door de jaren heen zijn veel halfgeleiders onderzocht. De tabel toont een deel van het periodiek systeem met betrekking tot halfgeleiders. De elementaire halfgeleiders zijn die welke zijn samengesteld uit afzonderlijke soorten atomen, zoals silicium (Si), germanium (Ge) en grijs tin (Sn) in kolom IV en selenium (Se) en telluur (Te) in kolom VI. Er zijn echter talloze samengestelde halfgeleiders die uit twee of meer elementen bestaan. Galliumarsenide (GaAs) is bijvoorbeeld een binaire III-V-verbinding, een combinatie van gallium (Ga) uit kolom III en arseen (As) uit kolom V.
Gedeelte van het periodiek systeem der elementen met betrekking tot halfgeleiders
| periode | kolom | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | V | VI | |
| 2 | boor
B |
koolstof
C |
stikstof
N |
||
| 3 | magnesium
Mg |
aluminium
Al |
silicium
Si |
fosfor
P |
zwavel
S |
| 4 | zink
Zn |
gallium
Ga |
germanium
Ge |
arseen
As |
selenium
Se |
| 5 | cadmium
Cd |
indium
In |
blik
Sn |
antimoon
Sb |
tellurium
Te |
| 6 | kwik
Hg |
leiden
Pb |
|||
Ternaire verbindingen kunnen worden gevormd door elementen uit drie verschillende kolommen, zoals bijvoorbeeld kwikindiumtelluride (HgIn 2 Te 4), een II-III-VI-verbinding. Ze kunnen ook worden gevormd door elementen uit twee kolommen, zoals aluminium galliumarsenide (Al x Ga 1 - x As), een ternaire III-V-verbinding, waarbij zowel Al als Ga uit kolom III komen en het subscript x is gerelateerd aan de samenstelling van de twee elementen van 100 procent Al (x = 1) tot 100 procent Ga (x = 0). Zuiver silicium is het belangrijkste materiaal voor toepassing in geïntegreerde schakelingen en III-V binaire en ternaire verbindingen zijn het belangrijkst voor lichtemissie.
Voorafgaand aan de uitvinding van de bipolaire transistor in 1947 werden halfgeleiders alleen gebruikt als apparaten met twee terminals, zoals gelijkrichters en fotodiodes. Begin jaren vijftig was germanium het belangrijkste halfgeleidermateriaal. Het bleek echter voor veel toepassingen ongeschikt, omdat apparaten van het materiaal hoge lekstromen vertoonden bij slechts matig verhoogde temperaturen. Sinds het begin van de jaren zestig is silicium een praktisch substituut geworden, waarbij het germanium praktisch vervangt als materiaal voor de fabricage van halfgeleiders. De belangrijkste redenen hiervoor zijn tweeledig: (1) silicium-apparaten vertonen veel lagere lekstromen en (2) hoogwaardig siliciumdioxide (SiO 2), dat een isolator is, is gemakkelijk te produceren. Siliciumtechnologie is nu veruit de meest geavanceerde van alle halfgeleidertechnologieën, en op silicium gebaseerde apparaten vormen meer dan 95 procent van alle wereldwijd verkochte halfgeleiderhardware.
Veel van de samengestelde halfgeleiders hebben elektrische en optische eigenschappen die in silicium ontbreken. Deze halfgeleiders, vooral galliumarsenide, worden voornamelijk gebruikt voor hogesnelheids- en opto-elektronische toepassingen.
