Halfgeleiders zijn materialen met een elektrisch geleidingsvermogen tussen dat van geleiders (zoals metalen) en isolatoren (zoals b.v. rubber en glas) in.
De geleidbaarheid van halfgeleiders kan worden gecontroleerd en gemanipuleerd, waardoor ze essentiële componenten zijn in elektronische apparaten.
Het gedrag van halfgeleiders wordt voornamelijk bepaald door hun atoomstructuur en de aanwezigheid van onzuiverheden of doteermiddelen. Hier zijn enkele basisprincipes over halfgeleiders en doteringen:
Lees ook: Het gedrag van elektronen
Grondbeginselen van halfgeleiders
Atoomstructuur
Halfgeleiders zijn typisch kristallijne materialen met een regelmatige en zich herhalende atoomstructuur.
Gangbare halfgeleidermaterialen zijn silicium (Si), germanium (Ge) en galliumarsenide (GaAs).
Energiebanden
In een halfgeleider bezetten elektronen verschillende energiebanden. De belangrijkste banden zijn de valentieband (lagere energie) en de geleidingsband (hogere energie).
De energiekloof tussen de valentieband en de geleidingsband wordt de bandkloof genoemd.
Geleidbaarheid
Elektronen in de valentieband zijn gebonden aan atomen, terwijl elektronen in de geleidingsband vrij kunnen bewegen en elektriciteit geleiden.
Halfgeleiders hebben een kleine bandkloof in vergelijking met isolatoren, waardoor elektronen onder bepaalde omstandigheden van de valentieband naar de geleidingsband kunnen bewegen.
Doping in halfgeleiders:
Doping is het opzettelijk introduceren van onzuiverheden in een halfgeleider om de elektrische eigenschappen ervan te wijzigen.
Er zijn twee primaire soorten doteermiddelen:
N-type (Negatief-type) doteermiddelen
- Introduceert elektronen als meerderheidsdragers.
- Gebruikelijke N-type doteermiddelen zijn elementen zoals fosfor (P) of arseen (As).
- Deze doteermiddelen hebben meer valentie-elektronen dan het halfgeleidermateriaal, waardoor extra vrije elektronen ontstaan.
P-type (Positief-type) doteermiddelen
- Introduceert “gaten” of plaatsen waar een elektron zou kunnen bestaan, maar dat niet doet.
- Veel voorkomende P-type doteermiddelen zijn elementen als boor (B) of aluminium (Al).
- Deze doteermiddelen hebben minder valentie-elektronen dan het halfgeleidermateriaal, waardoor gaten ontstaan in de elektronenstructuur.
Dopingproces
Diffusie
De halfgeleider wordt blootgesteld aan een gas dat het doteringsmateriaal bevat en de doteringsatomen diffunderen in het kristalrooster.
Ion-implantatie
Hoog-energetische ionen van het doteringsmateriaal worden rechtstreeks in de halfgeleider geïmplanteerd.
Halfgeleiderelementen
Diodes
- Worden gevormd door P-type en N-type halfgeleiders samen te voegen.
- Ze laten stroom in één richting door.
Transistors
- Gemaakt door N-type en P-type halfgeleiders te combineren.
- Ze kunnen elektronische signalen versterken en schakelen.
Geïntegreerde schakelingen (IC’s)
Combinaties van transistors, diodes en andere componenten op één chip.
De gecontroleerde toevoeging van doteermiddelen is cruciaal voor het ontwerpen van halfgeleiders met specifieke elektrische eigenschappen, waardoor de complexe elektronische systemen kunnen worden gecreëerd die we in de dagelijkse technologie gebruiken.
Diodes voor camerasensoren
In de context van diodes voor camerasensoren spelen N-type (negatief-type) en P-type (positief-type) dopanten een cruciale rol bij de vorming van halfgeleidermaterialen die in deze apparaten worden gebruikt. Camerasensoren zijn vaak gebaseerd op complementaire metaaloxidehalfgeleidertechnologieën (CMOS) of CCD-technologieën (charge-coupled device), die beide gebruikmaken van halfgeleiders.
Lees ook: Computational sensoren
1. N-type Dopanten:
- Vaak gebruikte N-type doteermiddelen zijn fosfor (P) of arseen (As).
- Kenmerken:
N-type doteermiddelen brengen extra elektronen in het kristalrooster van de halfgeleider, waardoor negatief geladen dragers ontstaan. Deze extra elektronen verhogen de geleidbaarheid van het halfgeleidermateriaal. - Functie:
In camerasensoren worden N-type gebieden vaak gebruikt als de elektron-geleidende (negatief geladen) gebieden. Foto-gegenereerde elektronen (van invallend licht) bewegen door deze N-type gebieden om een elektrisch signaal te genereren.
2. P-type Dopanten:
- Veel voorkomende P-type doteermiddelen zijn boor (B) of gallium (Ga).
- Kenmerken:
P-type doteermiddelen creëren “gaten” in het kristalrooster, die fungeren als positief geladen dragers. Deze gaten vertegenwoordigen vacatures in de elektronenstructuur en dragen bij tot de algemene geleidbaarheid van het halfgeleidermateriaal. - Functie:
P-type gebieden worden gebruikt in camerasensoren om de beweging van “gaten” als positieve ladingsdragers te vergemakkelijken. Fotogegenereerde gaten bewegen door deze P-type gebieden om een elektrisch signaal te genereren.
Hoe ze samenwerken
In een camerasensor vindt u vaak een combinatie van N-type en P-type gebieden om de noodzakelijke verbindingen te vormen, zoals P-N verbindingen of N-P-N verbindingen. Deze verbindingen zijn essentieel voor de goede werking van diodes, die fundamentele onderdelen zijn van beeldsensoren.
Door de foto gegenereerde ladingsdragers (elektronen en gaten) bewegen naar de respectieve N-type en P-type gebieden, waardoor een potentiaalverschil en een elektrisch signaal ontstaan. Dit signaal wordt vervolgens verwerkt tot het beeld dat door de camera wordt vastgelegd.
Samengevat helpt het strategische gebruik van N-type en P-type doteringsmiddelen in diodes voor camerasensoren halfgeleidermaterialen te maken met de gewenste elektrische eigenschappen, waardoor de omzetting van licht in elektrische signalen voor het vastleggen van beelden mogelijk wordt.
