Nederlands
Menu

Geleider versus halfgeleider versus isolator: bandgap, resistiviteit en temperatuurgedrag vergeleken

Het verschil tussen geleiders, halfgeleiders en isolatoren wordt bepaald door hoeveel elektronen er beschikbaar zijn om stroom te voeren, en dat is te verklaren met de bandstructuur. In een metaal is de geleidingsband gedeeltelijk met elektronen gevuld, zodat er van nature veel vrije elektronen zijn. Een isolator heeft een grote bandgap, waardoor bij kamertemperatuur vrijwel geen elektronen de geleidingsband bereiken. Een halfgeleider zit daartussenin: met een gematigde bandgap van rond 1 eV kan de geleidbaarheid sterk worden veranderd door temperatuur, licht of het toevoegen van doteringsatomen.

KenmerkGeleider (metaal)HalfgeleiderIsolator
BandstructuurDe geleidingsband is gedeeltelijk met elektronen gevuld (of valentieband en geleidingsband overlappen)De valentieband is vol, met een gematigde bandgap tot de geleidingsbandDe valentieband is vol, met een grote bandgap tot de geleidingsband
Indicatieve bandgapGeenVaak rond 1 eV (Si ongeveer 1,12 eV, Ge ongeveer 0,66 eV, GaAs ongeveer 1,42 eV). Er zijn ook wide-bandgap-halfgeleiders boven 3 eV, zoals SiC en GaNGroot (SiO2 ongeveer 9 eV)
Indicatieve resistiviteit bij kamertemperatuurZeer laag (koper ongeveer 1,7×10⁻⁶ Ω·cm)Tussenin en varieert met de doteringshoeveelheid over vele ordes van grootte (zuiver silicium in de orde van 10⁵ Ω·cm)Zeer hoog (10¹⁴ Ω·cm of meer, bijvoorbeeld bij SiO2)
LadingsdragersVrije elektronen. 10²² of meer per cm³ (koper ongeveer 8,5×10²²)Twee soorten: elektronen in de geleidingsband en gaten in de valentieband. De dichtheid is door dotering sterk te variërenVrijwel geen
Bij stijgende temperatuurDe weerstand neemt toe (meer verstrooiing door roostertrillingen)Bij een zuivere halfgeleider daalt de weerstand sterk (thermisch gegenereerde ladingsdragers nemen snel toe)De weerstand blijft zeer hoog, maar daalt licht bij hoge temperatuur
Bij toevoegen van doteringsatomenDe geleidbaarheid verandert nauwelijks (de weerstand neemt licht toe)Al een zeer kleine hoeveelheid verandert de geleidbaarheid over vele ordes van grootte, en zo kunnen n-type en p-type worden gemaaktDe isolerende werking moet behouden blijven. Verontreinigingen en defecten veroorzaken lekstroom
Bij belichtingNauwelijks veranderingLicht met een energie groter dan de bandgap genereert ladingsdragers en verhoogt de stroom (fotogeleiding)Bij zichtbaar licht nauwelijks verandering (SiO2 laat zichtbaar licht door)
Typische materialenKoper, aluminium, goud, wolfraamSilicium, germanium, GaAs, SiC, GaNSiO2, siliciumnitride (Si3N4), aluminiumoxide (Al2O3), kunststoffen
Rol in halfgeleiderdevicesBedrading, elektroden, contacten, bonddradenDe delen die stroom regelen, zoals transistors en diodesGate-isolatielaag, interlaagdiëlektricum tussen de bedrading, isolatie tussen componenten, beschermlagen

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Geleider (metaal)
Wanneer stroom met weinig verlies moet worden getransporteerd. Gebruikt voor bedrading en elektroden op de chip en voor draden en leads in de behuizing.
Halfgeleider
Wanneer stroom moet worden in- en uitgeschakeld of versterkt, of licht en elektriciteit in elkaar moeten worden omgezet. De kern van transistors, diodes, beeldsensoren en zonnecellen.
Isolator
Wanneer delen die geen stroom mogen geleiden van elkaar moeten worden gescheiden. Gebruikt als gate-isolatielaag van MOSFET's, als interlaagdiëlektricum tussen bedrading en voor de isolatie tussen naburige transistors.

Veelgestelde vragen

Waarom heet een halfgeleider een ‘half’ geleider?

Omdat de resistiviteit tussen die van geleiders (metalen) en isolatoren in ligt. Belangrijker dan de waarde zelf is echter dat de geleidbaarheid sterk kan worden veranderd door dotering, temperatuur, licht of een elektrisch veld. Die eigenschap ligt ten grondslag aan de werking van transistors en diodes.

Waarom reageert de weerstand van metalen en halfgeleiders tegengesteld op temperatuur?

In een metaal is het aantal vrije elektronen vrijwel constant, en bij stijgende temperatuur neemt de verstrooiing door roostertrillingen toe, zodat de weerstand stijgt. In een zuivere halfgeleider neemt bij stijgende temperatuur het aantal over de bandgap geëxciteerde ladingsdragers exponentieel toe. Dat weegt zwaarder dan de extra verstrooiing, zodat de weerstand daalt.

Vanaf hoeveel eV bandgap is een materiaal een isolator?

Er is geen scherpe grens. Materialen met een grote bandgap en vrijwel geen ladingsdragers bij kamertemperatuur worden meestal isolatoren genoemd, maar materialen die door dotering stroom kunnen geleiden, zoals diamant (ongeveer 5,5 eV) en Ga2O3 (ongeveer 4,5 tot 4,9 eV), worden als halfgeleider (ultra-wide-bandgap-halfgeleider) beschouwd.

Is silicium een geleider of een isolator?

Een halfgeleider. Zuiver silicium heeft bij kamertemperatuur een vrij hoge resistiviteit in de orde van 10⁵ Ω·cm, maar door een kleine hoeveelheid fosfor of boor toe te voegen daalt die met vele ordes van grootte. N-type silicium met een elektronendichtheid van 1×10¹⁶ cm⁻³ heeft bijvoorbeeld ongeveer 0,5 Ω·cm.

Test uw begrip

Welke waarde ligt het dichtst bij de bandkloof van silicium (Si) bij kamertemperatuur?

  1. Aca. 0,66 eV
  2. Bca. 1,12 eV
  3. Cca. 3,4 eV
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. ca. 1,12 eV

De bandkloof van silicium bedraagt bij kamertemperatuur ca. 1,12 eV, en de bovengrens van de golflengte van absorbeerbaar licht is ca. 1,1 µm (1240 ÷ 1,12). Ca. 0,66 eV is de waarde van germanium, waarbij door de kleinere kloof bij hoge temperatuur gemakkelijk meer lekstroom ontstaat; ca. 3,4 eV is die van GaN, een halfgeleider met brede bandkloof die geschikt is voor hoge spanning, hoge temperatuur en blauwe LED’s. Silicium neemt een middenpositie in en werd, samen met de mogelijkheid om een goed thermisch oxide (SiO2) te vormen, de hoofdrolspeler van LSI.

Welk van de volgende materialen heeft de grootste bandkloof?

  1. ASilicium (Si)
  2. BGermanium (Ge)
  3. CSiliciumdioxide (SiO2)
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Siliciumdioxide (SiO2)

SiO2 heeft een zeer grote bandkloof van ca. 9 eV en is een goede isolator. Het verschilt met een orde van grootte van silicium (ca. 1,12 eV) en germanium (ca. 0,66 eV). Niet alleen is de kloof groot, ook de sprong in de geleidingsband ten opzichte van de siliciumkant (ca. 3,1 eV) is groot, waardoor elektronen moeilijk over de gate-isolator heen komen. High-k-materialen (HfO2 heeft ca. 5,8 eV) hebben een hogere diëlektrische constante maar een kleinere kloof, en worden gekozen in een afweging met de lekstroom.

Welke uitspraak over de temperatuurafhankelijkheid van de weerstandsfactor (resistiviteit) van een intrinsieke halfgeleider is juist?

  1. ABij hogere temperatuur daalt de resistiviteit
  2. BBij hogere temperatuur stijgt de resistiviteit
  3. CDe resistiviteit is constant, onafhankelijk van de temperatuur
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Bij hogere temperatuur daalt de resistiviteit

Bij een intrinsieke halfgeleider neemt bij stijgende temperatuur het aantal ladingdragers dat over de bandkloof wordt geëxciteerd exponentieel toe, dus de resistiviteit daalt (negatieve temperatuurcoëfficiënt). Bij metalen is het aantal ladingdragers vrijwel constant en neemt de verstrooiing door roosterspanning toe, waardoor de resistiviteit stijgt. Hierop is de thermistor (NTC) gebaseerd. Bij gedoteerd silicium is het aantal ladingdragers rond kamertemperatuur echter vrijwel constant, zodat er een bereik is waarin de weerstand juist stijgt door de dalende mobiliteit.

  1. Wat gebeurt er met de intrinsieke ladingdragerdichtheid wanneer de temperatuur van een intrinsieke halfgeleider stijgt?
  2. Hoeveel valentie-elektronen (buitenste-schilelektronen) heeft één siliciumatoom?
  3. Welke waarde ligt het dichtst bij de bandkloof van germanium (Ge) bij kamertemperatuur?

Oefenvragen over Halfgeleiderfysica

Belangrijke termen uitgelegd

Bandgap (bandkloof)
Energieverschil tussen de bovenkant van de valentieband en de onderkant van de geleidingsband. Silicium heeft bij kamertemperatuur ongeveer 1,12 eV. Hoe groter, hoe beter het bestand is tegen hoge temperaturen en hoge spanningen.
Intrinsieke ladingdragerdichtheid
Dichtheid van thermisch gegenereerde elektronen en gaten in een zuivere halfgeleider (genoteerd als ni). In silicium bij kamertemperatuur ongeveer 1×10¹⁰ cm⁻³; neemt sterk toe met de temperatuur. In thermisch evenwicht geldt n × p = ni².
Mobiliteit
Maat voor hoe gemakkelijk ladingdragers bewegen in een elektrisch veld. In silicium is de mobiliteit van elektronen groter dan die van gaten.
Fermi-niveau
Energie waarbij de kans dat een elektron dat niveau bezet precies 1/2 is. Ligt bij n-type dichter bij de geleidingsband en bij p-type dichter bij de valentieband.

Verwante vergelijkingen