Wat zijn de verschillende soorten halfgeleidermateriaal?
Halfgeleiders zijn essentiële componenten van moderne elektronische apparaten en zijn dus een van de fundamentele bouwstenen van moderne technologie. Om geschikt te zijn als halfgeleidermateriaal, moet een stof een elektrische geleiding hebben die ligt tussen die van isolatoren, die zeer weinig elektriciteit geleiden, en geleiders, waardoor elektriciteit zeer gemakkelijk kan stromen. De meeste halfgeleidermaterialen zijn kristallijne anorganische vaste stoffen, hoewel halfgeleiders gemaakt van amorfe vaste stoffen en vloeistoffen ook bestaan. Gebruikelijke halfgeleidermaterialen omvatten silicium, galliumarsenide en galliumnitride, hoewel andere ook bestaan. Naast deze primaire materialen bevatten halfgeleiders vaak ook kleine hoeveelheden andere stoffen, bekend als doteerstoffen.
De geleidbaarheid van een halfgeleidend materiaal kan worden verhoogd door het te onderwerpen aan elektrische energie, magnetische velden of andere stimuli die de energieniveaus van de elektronen van het materiaal verhogen, waardoor sommigen van hen van de energiezuinige band naar de hogere energie bewegen, minder drukke geleidingsband. Hierdoor kunnen de bekrachtigde elektronen vrijer door het materiaal bewegen, terwijl positief geladen openingen in de valentieband worden gecreëerd die elektronengaten worden genoemd. Hierdoor kan elektriciteit door de halfgeleider stromen. Door de geleidbaarheid van een halfgeleider te manipuleren, kan deze als schakelaar worden gebruikt. Halfgeleiders worden ook gebruikt voor zonne-energieopwekking en lichtdetectiesensoren, omdat ze een stroom elektrische stroom kunnen produceren wanneer ze op passende wijze worden bekrachtigd door binnenkomende fotonen van licht.
Het meest gebruikte halfgeleidermateriaal is silicium, het 14e element op het periodiek systeem en een van de meest voorkomende elementen in de aardkorst. De meeste siliciumhalfgeleiders hebben een regelmatige kristallijne structuur waarin hun atomen zijn gerangschikt, maar ook niet-kristallijn of amorf silicium kan worden gebruikt. Amorf silicium halfgeleiders hebben inferieure prestaties in vergelijking met kristallijn silicium, maar amorf silicium kan worden afgezet in veel dunnere lagen, wat de materiaalkosten kan verlagen.
Het volgende meest voorkomende halfgeleidermateriaal is het samengestelde galliumarsenide (GaAs). Galliumarsenide is in een aantal opzichten superieur aan silicium, zoals sneller schakelen en een grotere weerstand tegen hitte. Het is echter ook duurder en moeilijker te verwerken en wordt daarom meestal alleen gebruikt voor toepassingen waarin silicium onvoldoende is. Het lijdt ook aan een hoger stroomverbruik. Galliumarsenide wordt vaak gebruikt voor doeleinden zoals high-speed elektronica en zeer efficiënte fotovoltaïsche cellen.
Een andere galliumverbinding die wordt gebruikt voor halfgeleiders is galliumnitride (GaN), dat kan werken bij zeer hoge temperaturen en spanningen en wordt daarom vaak gebruikt voor toepassingen met microgolven. Galliumnitride wordt ook gebruikt in light-emitting diodes (LED's) en hoogfrequent laserdiodes, evenals sommige militaire radars. Het kan ook worden gecombineerd met een ander halfgeleidermateriaal, indium nitride (InN), om een mengsel te produceren dat indium gallium nitride wordt genoemd. Indium gallium nitride wordt vaak gebruikt in LED's en kan ook een uiterst efficiënt materiaal zijn voor zonnecellen.
Halfgeleiders bevatten vaak kleine hoeveelheden doteerstoffen om hun geleidende eigenschappen te wijzigen op basis van hun functie. Gebruikelijke doteerstoffen in silicium omvatten de elementen boor, fosfor en arseen. Galliumarsenide en galliumnitride gedoteerd met metalen zoals mangaan hebben zowel halfgeleidende als ferromagnetische eigenschappen.