samenvatting elektronica

ELEKTRONICA
H1: INLEIDING TOT
HALFGELEIDERTECHNOLOGIE
HISTORIEK EN EVOLUTIE ELEKTRONICA
 1831: Michael Faraday -> elektromagnetische inductie
o Stroom door geleider => magnetisch veld
o Geleider in veranderd magnetisch veld => elektrische spanning
o BASIS voor werking generatoren, elektromotoren en transformatoren
 1865: James Maxwell -> Maxwell vergelijkingen
o 4 wiskundige vergelijkingen: koppeling elektrische en magnetische velden
o Veranderde elektromagnetische velden bewegen zich als golven door de ruimte
 1888: Henrich Hertz -> radiogolven (bewees bestaan elektromagnetische golven)
 1895: Marconi -> Radiogolfcommunicatie (draadloos over kanaal & oceaan)
 1904: Fleming -> Gloeikathode buis (of diode)
o Gebaseerd Edison-effect
o 2 elektroden + verhitte gloeidraad + metalen plaatje
o Enkel stroom van gloeidraad naar metalen plaatje = gelijkrichting
 1906: Lee de Forest -> triode
o Gebaseerd Edison-effect
o 2 elektroden + verhitte gloeidraad + metalen plaatje
o Extra metaalrooster tussen 2 elektroden
o Spanning op metaalrooster bepaalt stroom tussen gloeidraad en metalen plaatje
 1948: Schockley, Bardeen, Brattain -> transistor
o Elektroden in halfgeleider (bv. Silicium of germanium) = gelijkaardige werkingen
diode/triode, maar compacter
 1958: Kilby -> Geïntegreerde schakeling
o 2 transistors in 1 enkel siliciumkristal van 10 mm
 1965: Gordon Moore met ‘Wet van Moore’ (aantal transistors zal verdubbelen in chip iedere
24 maanden)

HERHALING ELEKTRICITEIT
 UIT ELEKTRONICA
o Passieve componenten
 De weerstand: v(t) = R.i(t)
 De spoel: v(t) = L. di/dt
 De condensator: i(t) = C. dv/dt
o Wetten van Kirchoff
 Stroomwet: i2(t) + i3(t) = i1(t) + i4(t) (som stroom naar knooppunt = weg)
 Spanningswet: v4(t) – v1(t) – v2(t) – v3(t) = 0 (Som spanningen gesloten kring
= 0)
o Signaalbronnen : verschil tss. Stroombron en spanningsbron (pijl niet gelijk)

,UIT ELEKTRICITEIT

HET ONTSTAAN VAN ENERGIEBANDEN
 Elektron = welbepaalde waarde van inwendige energie -> energielijnen
 Als we verschillende atomen bij elkaar brengen => interactie tussen de elektronen
 Resultaat als x atomen worden samengebracht tot een kristal
o Er ontstaan x zeer dicht bij elkaar gelegen energieniveaus
(energieband voor elke schil)
 Energieband = verzamenling energieniveaus
o Buitenste banden breder omdaat elektronen elkaar sterker
beinvloeden daar
o E- op buitenste band = valentie e- = valentieband
o Zone tussen banden = verboden zone
 Breedte afhankelijk van materiaal

GELEIDENDE MATERIALEN
 Valentieband met veel open plaatsen, deze is maar half gevuld = geleidingsband (buitenste)
o Te weinig elektronen, tijdelijk covalente bindingen
o Elektronen in valentieband kunnen makkelijk verplaatsen van ene naar andere energieniveau
o Veel beweeglijkheid, weinig vaste bindingen
 Geleidbaarheid ↗ bij T↗

ISOLATOREN
 Vaste covalente bindingen, geen vrije elektronen
 Valentieband volledig gevuld
o Elektronen kunnen niet naar ander atoom overspringen
 Kunstmatige geleidingsband toevoegen
o Geen elektronen meer om te vullen
o Afstand tot valentieband = verboden zone = te groot (meer dan 4 eV)
 Lege geleidingsband + onoverbrugbare verboden zone

HALFGELEIDERS


INTRINSIEKE HALFGELEIDERMATERIALEN
 HG materiaal= volledig gevulde valentieband en lege geleidingsband met smalle verboden zone (<3eV)
 Kans dat bij bepaald T. een elektron de verboden zone overbrugt => factor van Boltzmann
−Ws
o kT (T = temperatuur, Ws = breedte verboden zone, k = constante B.)
e
 Als de temperatuur stijgt, grotere kans elektron los maakt uit de valentieband en overgaat naar
geleidingsband (energie Ws nodig)
 Als elektron voor geleiding beschikbaar komt, in kristalrooster open plaats of gat
 Elektronenstroom = negatief ladingstransport, als uitwendig veld wordt aangelegd -> bewegen
elektronen tegengestelde richting
 Positieve gatenstroom = gat ontstaat, naburig elektron van atoom neemt plaats in
 Recombinatie = terug vallen van vrij elektron uit geleidingsband in gat valentieband
 N materiaal = aantal vrije elektronen gestimuleerd

,EXTRINSIEK HALFGELEIDERMATERIAAL
 Halfgeleider waarbij men verontreinigen inbrengt om het aantal vrije elektronen of gaten te
vermeerderen zodat de halfgeleider een hoger geleidingsvermogen heeft
N-halfgeleidermateriaal (halfgeleider aantal elektronen wordt gestimuleerd) -> negatief h.

 Donoren: verontreinigen die resulteren in een productie van vrije elektronen
o De donoren zijn positieve ionen (na elektronen af te staan)
o Elektron = meerderheidsladingdrager
 Ladingstransport hoofdzakelijk door elektron
o Gat = minderheidsladingsdrager
 Transport nauwelijks door de gaten
o 5-waardig verontreinigingselement (As, fosfor, P…)
 Hogere temperaturen breken bindingen sneller, elektronen beweging meer bij spanning
P-halfgeleidermateriaal (halfgeleider waarbij het aantal gaten verhoogd) -> positief h.

 Acceptoren: verontreinigen die gaten veroorzaken doordat ze elektronen opnemen
o Acceptoren zijn negatieve ionen (na elektronen opnemen)
o Elektron = minderheidsladingsdrager
o Gat = meerderheidsladingsdrager
o 3-waardig verontreinigingselement (In, B, Al, Ga…)
Mate geleiding bepaald door dichtheid aan vrije elektronen, respectievelijk gaten die op
hun beurt bepaald worden door integratie van donoren, acceptoren, verbreken binding




HET ATOOM
 Atoommodel van Bohr
o De kleinste bouwsteen met chemische eigenschappen van het element
o Model: Kern (protonen+ en neutronen 0) + banen rond de kern (orbits, elektronen -)
 Elektrisch neutraal: #elektronen = #protonen
 Atoomnummer = aantal protonen in de kern
 Elektronen en elektronenschillen
o Elektron gebonden aan atoom kan geen willekeurige energie bezitten => enkel
discrete energieniveaus En
o Elk atoom vast aantal schillen (n = 1,2,3…)
 Elektonen bezetting Ne = 2n2
o Valentie elektronen (chemische reacties + bepalen elektrische eigenschappen)
o Ionisatie: + en - ion

MATERIALEN IN ELEKTRONISCHE APPARATEN
 Geleider vs Halfgeleider vs Isolator
o Isolator: stroom niet geleiden bij lage geleidbaarheid
o Stroom door verplaatsing van ladingsdragers
o Koper + extra laag => zodat niet oxideert

,  Individuele atomen = elektronenenergie gekarakteriseerd door discrete energieniveaus. (1
component in behuizing)
 In vaste stof = elektronenenergie gekarakteriseerd
door energiebanden i.p.v. discrete energieniveaus
ten gevolge van de interactie tussen de elektronen
en naburige atomen
 Verboden zone
o De zone is bepalend voor het onderscheid in
elektrische eigenschappen van materialen
o Isolator: grote verboden zone, pas bij veel E
te overschrijden
 Indien erover, niet meer bruikbaar (verbrand)
o Halfgeleider: zone is te overschrijden bij bepaalde E
o Geleider: geen
o Overtreden afhankelijk van hoeveelheid Energie elektron heeft
o Afhankelijk van soort atoom
 Materialen
o Silicium-kristal
 4 valentie-elektronen/ 4 covalente bindingen
 Covalente bindingen = intrinsiek in kristal




o

STROOM IN HALFGELEIDERMATERIALEN
 Stroom in halfgeleiders: silicium
(intrinsiek)
o T = 0K
 Geen vrije elektronen,
dus geen stroom
 Geen externe energie
o Kamertemperatuur
 Voldoende hoge
temperatuur met externe
energie (warmte) => vrije
elektronen overgaan naar
valentie-e + gat/hol
(=vacante positie)