[Vaste stof fysica] Werking halfgeleider

[razor]

Nou was ik bezig met een natuurkunde profielwerkstuk over LED's en nou had ik een vraagje. Maar dit gedeelte is meer scheikundig dus vandaar dat er in de titel [scheikunde] staat.

Ik zat het volgende te lezen:

http://nl.wikipedia.org/wiki/Halfgeleider

maar nou kan ik het goed volgen tot het einde. Het gaat om dit stuk:

In de grenslaag zullen de elektronen uit het n-silicium die toch niets te doen hebben een kijkje nemen in het p-silicium waar ze erg gevraagd zijn. Het gevolg is een zone zonder vrije ladingsdragers, de uitputtingszone. Een laagje n-silicium blijft met een tekort aan elektronen achter, dus positief geladen en een aansluitend laagje p-silicium heeft extra elektronen en is dus negatief geladen. Er zijn geen elektronen meer die van hun plaats willen, de pn-overgang geleidt niet. Leggen we een spanning aan tussen het n- en p-silicium, dan zal afhankelijk van de polariteit de uitputtingszone vergroot worden, dus geen stroom doorlaten, of zullen de elektronen teruggedreven worden zodat na overwinnen van een drempelspanning geleiding optreedt: we hebben een siliciumdiode.



"In de grenslaag zullen de elektronen uit het n-silicium die toch niets te doen hebben een kijkje nemen in het p-silicium waar ze erg gevraagd zijn."

Ik moet hier dus vanuit gaan dat hier uitzonderlijk gereageerd wordt? aangezien het normaal elkaar afstoot en nu aantrekt.. heet dit attractieve coulombkracht?

"Het gevolg is een zone zonder vrije ladingsdragers, de uitputtingszone."

Als ik het dus goed begrijp is alleen aan die rand die uitputtingszone.. en die wordt steeds minder hoe verder je naar de buitenkant van een P of N laag gaat?

"Een laagje n-silicium blijft met een tekort aan elektronen achter, dus positief geladen en een aansluitend laagje p-silicium heeft extra elektronen en is dus negatief geladen."

Dit snap ik even niet.. een N-laag heeft toch altijd een teveel aan electronen?

En de P-laag heeft hier ineens extra electronen.. i.p.v. een teveel aan gaten..?

het is dus precies andersom zoals ik overal lees, en ook eerder in het verhaal staat op wikipedia. Kan iemand met dit uitleggen?

"Er zijn geen elektronen meer die van hun plaats willen, de pn-overgang geleidt niet. "

Dit komt dus omdat er precies in het midden bij de overgangsplaats een uitputtingszone heerst waar alles neutraal is..? en de niet neutrale gedeeltes achter die uitputtingszone op beide lager.. niet bij elkaar kunnen komen i.v.m. de te grote sprong die ze over die uitputtingszone moeten maken?

"Leggen we een spanning aan tussen het n- en p-silicium, dan zal afhankelijk van de polariteit de uitputtingszone vergroot worden, dus geen stroom doorlaten, of zullen de elektronen teruggedreven worden zodat na overwinnen van een drempelspanning geleiding optreedt: we hebben een siliciumdiode."

En dit laatste stukje.. de werking van een diode dus.. vat ik ook even niet. Maar dat zal vast komen omdat ik voorgaande zinnen ook al niet snapte.

Kan iemand dit voor me uitleggen.. met evt. uitleg van de samenhang van deze stappen/zinnen?

Groeten,

lennart (havo leerling)

[Jan van de Velde]

http://sciencetalk.nl/forum/invision/in...d=185107#185107

Ik denk dat de meeste en prangendste van je vragen hier wel uitgelegd staan.

(PS dit heeft helemaal niets met scheikunde te maken, het is puur natuurkunde. Je verandert niets aan de stoffen namelijk.)

[razor]

ok sorry maar kan het niet meer veranderen in natuurkunde ..

opzich had ik wel wat aan die link maar er is me toch nog redelijk wat onduidelijk.



Als het P-type gedeelte dus gaten bevat. En N-type electronen. Dan gaan die dus oversteken. Waarom reagereren ze niet met elkaar maar kruisen ze ekaar in de overgangslaag .. ze steken als het ware allebei over.. zouden elkaar moeten aantrekken ivm + en - maar toch doen ze dat niet.. en gaan dan toch naar de overkant en vormen daar een eigen laagje. Dat eigen laagje heeft vervolgens zelfs nog een eigen kracht en voorkomt nog meer electronen / gaten over te steken ivm de afstotende kracht die ze op elkaar uit oefenen met gelijke ladingen.

??

En hoe zit het dan zodra er stroom op wordt gezet? hoe en waar precies wordt dat aangesloten omdat je op beide plaatjes nu 2 ladingen hebt ..

En hoe gaat het diode effect dan in z'n werking? wat verklaart hoe en waarom het de ene kant wel op kan en andere kant het tegen gehouden wordt.

En als ik dat allemaal snap moet ik vervolgens ook de link weer doorleggen naar werking van een LED waar het uiteindelijk om draait met mijn werkstuk. Is die werking gewoon hetzelfde..? (alleen dat er ergens terugvallende electronen zijn die fotonen uitzenden..)

?

[Jan van de Velde]

Pas op, een P-type halfgeleider is NIET elektrisch positief geladen, een N-type is NIET elektrisch negatief geladen. Het is een kwestie van een nette kristalstructuur waarin verontreinigingen worden ingebracht waardoor in het kristal eigenlijk valentie-elektronen tekort zijn om alle mogelijke atoombindingen te verzadigen. Maar een blokje P-materiaal bevat evenveel protonen in de kernen van de samenstellende atomen als dat er elektronen rondzwerven, en is dus niet positief geladen.

Idem, maar dan andersom, voor het N-materiaal, waar wat valentie-elektronen teveel zijn voor alle mogelijke bindingen, die daarom maar losjes door hun atomen worden vastgehouden.

Beide materialen zijn dus elektrisch gewoon neutraal. Komen er in een blokje P-materiaal elektronen binnen, dan krijgt het blokje als geheel dus wél een elektrische lading, want dan zijn er meer elektronen dan protonen in dat blokje. Vandaar dat dat diffusieproces ergens ophoudt, want de elektronen worden eigenlijk terug naar het inmiddels positief geladen N-blokje getrokken, en de gaten naar het inmiddels negatief geladen P-blokje. Er stelt zich een evenwicht in tussen de wens de gaten en elektronen zo netjes mogelijk over beide kristallen te verdelen, en het elektrisch veld als gevolg van de ongelijke verdeling van lading over de blokjes.

Als je zover mee bent, zie je misschien op je andere vragen ook het antwoord.

[DePurpereWolf]

Waarom reagereren ze niet met elkaar maar kruisen ze ekaar in de overgangslaag .

Ze 'reageren' wel met elkaar, daardoor krijgen we de space charge layer of SCL. Als in een N-type de electron van een fosfor atoom naar de p-type gaat laat het wel een positief ion achter, het fosfor atoom verliest een electron. Het N-type wordt dus positief. Dit creeert een E-veld, en de SCL kan dus niet exponentieel groeien. Dus als het boron (p-type) er een electron bij krijgt om zijn schil vol te maken, wordt het negatief, en als het fosfor een electron afstaat om zijn buitenste schil vol te maken, wordt het positief en krijgen we dus een positief en negatief space charge layer in respectievelijk n en p type.

Over wat er gebeurt als er een batterij op aan wordt gesloten kom ik later wel op terug, moet even boekje lezen voordat dat weer helemaal duidelijk is.

Goed idee voor een minicursus trouwens, iemand?

[Elmo]

Over wat er gebeurt als er een batterij op aan wordt gesloten kom ik later wel op terug, moet even boekje lezen voordat dat weer helemaal duidelijk is.

Dan heb je een zonnecel gemaakt: als een foton in de SCL geabsorbeerd wordt, worden de gegenereerde electronen en gaten uit elkaar getrokken door het ectra electrische veld geinduceerd door de batterij. Deze electronen en gaten kan je vervolgens collecteren in een extern circuit, en zo zet je licht om in stroom.

[Jan van de Velde]

worden de gegenereerde elektronen en gaten uit elkaar getrokken door het ectra electrische veld geinduceerd door de batterij.

Quid? (dit is latijn) wil Elmo eens uitleggen wat hij hier precies bedoelt, want ik lees dat alsof je een batterij (spanningsbron) nodig zou hebben om een PV cel te laten werken..... En dat volg ik niet.

[razor]

aan de hand van dit plaatje kan ik afleiden dat de anode (+) op de P laag wordt aangesloten.. in het voorbeeld in dit topic hele tijd.. is dat dus links.

Maar ik kan het wel aannemen maar ik wil het ook snappen. Hoe en waarom moet je die stroom aansluiten.. en wat gebeurd als je het andersom doet..?

Ik zat er over na te denken maar kwam er niet helemaal uit..

?

(En Jan vd Velde, ik zag ook in andere topics dat je veel nuttige plaatjes e.d. poste. Heb je er toevallig nog aantal over LED of halfgeleider? die kan ik dan nuttig gebruiken voor mijn werkstuk..

geld ook voor andere gebruikers hoor )

[DePurpereWolf]

Over wat er gebeurt als er een batterij op aan wordt gesloten kom ik later wel op terug, moet even boekje lezen voordat dat weer helemaal duidelijk is.

Dan heb je een zonnecel gemaakt: als een foton in de SCL geabsorbeerd wordt, worden de gegenereerde electronen en gaten uit elkaar getrokken door het ectra electrische veld geinduceerd door de batterij. Deze electronen en gaten kan je vervolgens collecteren in een extern circuit, en zo zet je licht om in stroom.

Ik dacht meer over een uitleg van majority/minority carriers en groei/grote van de SCL. Dan kun je daarna over een zonnecel beginnnen, of over een LED, of hoe een transistor werkt, of de gehele fundamenten van de semiconductor industry. Ik zei al, goede stof voor een minicursus: solid state physics.

Het boek dat ik hier heb heet Solid State Physics van Streetman en Banerjee. Ik zal later eens kijken wat de 'geaccepteerde' uitleg is van wat er gebeurt, moet er zelf ook nog aan werken.

@ razor, als je de positieve kant van de batterij op de p-type aansluit dan worden de electronen aangetrokken en de gaten afgestoten (in principe veranderen alleen de gaten van plaats omdat het een p-type is en dat de majority carriers zijn). Dus de gaten worden verplaatst naar de SCL en de SCL groeit, ditzelfde gebeurt aan de andere kant met de electronen, in het midden vinden de electronen en gaten elkaar, recombineren en in de recombinatie wordt licht gemaakt.

Maar later een meer gedetaileerde uitleg.

[Jan van de Velde]

Maar ik kan het wel aannemen maar ik wil het ook snappen. Hoe en waarom moet je die stroom aansluiten.. en wat gebeurd als je het andersom doet..?  

Ik zat er over na te denken maar kwam er niet helemaal uit..

Hoe en waarom moet je die stroom aansluiten..

op die grenslaag is er door diffusie van elektronen en gaten dus een potentiaalverschil ontstaan dat verdere diffusie (en daarmee een lopende stroom) tegenhoudt. Je zou het een beetje kunnen zien alsof je een klein batterijtje op die grenslaag hebt aangesloten, :



in dit plaatje heb je dus eigenlijk virtueel (let op het woordje "imaginary" in het plaatje) een soort batterijtje staan, en als je nou parallel een spanningsbron aansluit met de plus en min aan dezelfde zijden als die virtuele batterij, duwen deze de elektronen tegen elkaar in zodat er geen of maar een minimale stroom loopt. De diode staat in sperrichting geschakeld.



Draai je je echte batterij nu om, zodat deze netjes + - + - geschakeld staat met je virtuele batterij, dan kan er wel een stroom gaan lopen, de diode laat door.



Je snapt nou als het goed is ook dat een batterij met een lagere spanning als dat virtuele batterijtje ook in de doorlaatrichting nog geen stroom veroorzaakt. Het elektrische veld van die grenslaag wordt dan nog niet overschreden. De (ohmse)weerstand van de diode is nog steeds maximaal.

[razor]

Ok dat is een duidelijke uitleg Jan ! super !!

Maar nu zit dus als het ware de plus van een batterij aangesloten op P-type waar een negatieve lading heerst. Dat was eerst ff een verwarring voor me, maar later bedacht ik me dat de + pool van een batterij de uitgang van een electronenpomp is als het ware. Dus bij de P-type komen er een zooi electronen juist binnen.

En andersom aangesloten komen die electronen de positieve lading tegen van de N-type dat het dus afstoot --> stroom niet doorlaat.

Begrijp ik het nu vertaald in me eigen woorden goed?

En met een LED, dat heeft een zelfde werking neem ik aan?

Dan is er bij een één of andere ontmoeting met een gat en een electron een oversprong van atoom?? naar een ander atoom.. alleen dat atoom heeft dan weer lagere energiewaarde op de buitenste schil.. dus moet dat electron energie kwijt.. = foton = licht. ?? je kunt dus al lezen dat ik dat gedeelte nog niet zo erg snap.

Ik had al wel het volgende gevonden ( http://www.led2.org/uitleg.html ) maar middelste plaatje (werking van LED) niet thuis plaatsen in de uitleg hier. Want bij de PN overgang steken toch alleen electronen over en als het ware ook voor het gemak de gaten. Toch niet atomen die onderweg met kruisen elkaar electronen afleveren en vervolgens dat die electronen daardoor overtollige energie kwijt raken in een foton (licht).

[Jan van de Velde]

bijna goed denk ik:

En andersom aangesloten komen die elektronen de positieve lading tegen in de grenslaag van de N-type dat het dus afstoot --> stroom niet doorlaat.

ofwel, (gaten even voor het gemak vergetend, dat is eigenlijk een stroom positieve ladingen), elektronen zullen door diffusie willen verplaatsen van N naar P, maar bouwen hierbij een ladingsverschil op tussen N en P, waardoor een elektrisch veld ontstaat dat verdere stroming tegengaat. Duw een beetje mee, (met behulp van het elektrisch veld van je echte batterij) en de grenslaag met diffusie wordt veel breder en beslaat uiteindelijk de volle breedte van de diode.

[razor]

Ok dat verhaal is me nu compleet duidelijk denk ik

kan je ook 2e gedeelte van me reply uitleg over geven dat over die LED's ?

alvast bedankt!

[Jan van de Velde]

Op de grenslaag van N naar P vallen de elektronen in de gaten. Er is een vast verschil in energieniveau tussen de geleidingsbanden van het N-type en van het P-type. Een elektron dat van N naar P overspringt gaat daardoor naar een lager energieniveau, en de energie die overblijft komt vrij als een foton. Dit gebeurt ook in gewone diodes, alleen is daar, door de keuze van de materialen, deze energieval zo klein dat er alleen infrarood licht (warmtestraling) wordt uitgezonden.

Op de site die jij aanhaalde staat daarvoor een mooi plaatje:



Door een juiste keuze van materialen kun je grotere energieverschillen krijgen, waardoor zichtbaar licht ontstaat. Omdat maar één energieval optreedt krijg je monochromatisch licht, licht met één bepaalde golflengte dus. Kijk in je eigen plaatje, de getekende lichtstralen zijn allen afkomstig uit die grenslaag waar die val optreedt.



Door de transparantie van het halfgeleidermateriaal te verbeteren en door betere reflectoren erachter te plaatsen ontstonden steeds efficientere LED's.

[razor]

Dit plaatje had ik ook gevonden maar was in een andere taal. Dit is toch ook het principe van een diode? de halfgeleider Silicium gaat bindingen aan met As om zo elk atoom te voorzien van 8 electronen op de buitenste schil. Maar daardoor blijft er 1 vrije electron over die je dus in het midden ziet zweven?

Of heeft dit plaatje er niets mee te maken?

Edit: vond ook nog dit plaatje.. dit is dan zonder die As