Wat is een halfgeleider?

Halfgeleiders vormen het hart van moderne elektronische apparaten en spelen een essentiële rol in alles van smartphones tot ruimtesatellieten. Om halfgeleiders te begrijpen, moet je hun unieke elektrische eigenschappen, typen en toepassingen onderzoeken.

Een halfgeleider is een materiaal waarvan de elektrische geleidbaarheid tussen die van een geleider (die de vrije stroom van elektronen toelaat) en een isolator (die elektronenstroom weerstaat) ligt. Deze tussenliggende geleidbaarheid is echter niet vast. Het kan nauwkeurig worden geregeld door onzuiverheden in het materiaal te introduceren, een proces dat bekend staat als dopingDeze eigenschap maakt halfgeleiders essentieel voor het creëren van elektronische componenten die elektrische stromen regelen en controleren.

Halfgeleiders worden doorgaans gemaakt van silicium of germanium, die vier valentie-elektronen hebben. Hun kristallijne structuur maakt de creatie van elektronengaten, plekken waar een elektron ontbreekt, dat door het materiaal kan bewegen en een elektrische lading kan dragen. Door het aantal en type ladingdragers (elektronen en gaten) te manipuleren, ontwerpen ingenieurs apparaten met specifiek elektrisch gedrag.

Wat is een halfgeleider en wat is een chip?

Hoewel halfgeleiders en chips vaak door elkaar worden gebruikt in alledaagse gesprekken, verwijzen ze naar verschillende aspecten van elektronische technologie. De term halfgeleider verwijst naar het materiaal zelf dat halfgeleidende eigenschappen vertoont. Het is het substraat waarop elektronische circuits worden gebouwd. Aan de andere kant is een chip (microchip of geïntegreerd circuit) een klein stukje halfgeleidermateriaal dat een geïntegreerd circuit (IC) bevat. Dit IC bestaat uit een complex netwerk van elektronische componenten zoals transistoren, weerstanden en condensatoren, allemaal geminiaturiseerd en onderling verbonden om specifieke functies uit te voeren.

In essentie is een halfgeleider het basismateriaal met regelbare elektrische eigenschappen, terwijl een chip de fysieke belichaming is van elektronische schakelingen die op een halfgeleidersubstraat zijn vervaardigd.

Voorbeelden van halfgeleiders

Halfgeleidermaterialen variëren in hun eigenschappen en toepassingen. Hier zijn opmerkelijke voorbeelden:

Silicium (Si). Het meest gebruikte halfgeleidermateriaal, silicium, is geliefd vanwege de uitstekende halfgeleidende eigenschappen, de overvloed en de stabiliteit van de oxidelaag, die essentieel is voor de productie van MOSFET's (metaaloxidehalfgeleiderveldeffecttransistoren).
Germanium (Ge). Germanium heeft een hogere elektronenmobiliteit dan silicium, waardoor het geschikt is voor hogesnelheidsapparaten. Het wordt gebruikt in glasvezelsystemen, infraroodoptica en sommige typen transistoren.
Galliumarsenide (GaAs). Deze samengestelde halfgeleider biedt een hogere elektronenmobiliteit en verzadigingssnelheid dan silicium, waardoor het ideaal is voor geïntegreerde schakelingen met microgolffrequentie, infrarood-LED's en zonnecellen.
Siliciumcarbide (SiC). SiC staat bekend om zijn brede bandgap en wordt gebruikt in toepassingen met hoge temperaturen en hoog vermogen. De thermische geleidbaarheid maakt het geschikt voor vermogenselektronica en ledverlichting.
Indiumfosfide (InP). InP wordt gebruikt in hogesnelheids- en hoogfrequente elektronica. De directe bandgap maakt het efficiënt voor opto-elektronische apparaten zoals laserdiodes en fotodetectoren in glasvezelcommunicatie.

Soorten halfgeleiders

Halfgeleiders worden gecategoriseerd op basis van hun zuiverheid en het type onzuiverheden dat tijdens het dopingproces wordt toegevoegd. De belangrijkste typen zijn:

Intrinsieke halfgeleiders

Intrinsieke halfgeleiders zijn zuivere vormen van halfgeleidermaterialen zonder significante onzuiverheden. Hun elektrische geleidbaarheid is uitsluitend afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal en de temperatuur. In deze materialen is het aantal elektronen gelijk aan het aantal gaten. Elektrische geleiding vindt plaats door thermische excitatie van elektronen van de valentieband naar de geleidingsband.

Extrinsieke halfgeleiders

Extrinsieke halfgeleiders zijn het resultaat van het dopen van intrinsieke halfgeleiders met specifieke onzuiverheden om hun geleidbaarheid te verbeteren. Doping introduceert extra ladingdragers, wat de elektrische eigenschappen van het materiaal aanzienlijk verandert. Extrinsieke halfgeleiders worden ingedeeld in:

N-type halfgeleiders. Gedoteerd met pentavalente atomen (donorverontreinigingen) zoals fosfor of arseen, die vijf valentie-elektronen hebben. Het extra elektron wordt een vrije ladingsdrager, waardoor de geleidbaarheid van het materiaal toeneemt vanwege negatief geladen elektronen.
P-type halfgeleiders. Gedoteerd met driewaardige atomen (acceptorverontreinigingen) zoals boor of gallium, die drie valentie-elektronen hebben. Dit creëert gaten of positieve ladingdragers, omdat er een tekort aan elektronen is.

Door de gecontroleerde toevoeging van onzuiverheden kunnen ingenieurs de elektrische eigenschappen van halfgeleiders manipuleren, waardoor pn-overgangen kunnen worden gemaakt die essentieel zijn voor diodes, transistors en andere elektronische apparaten.

Samengestelde halfgeleiders

Samengestelde halfgeleiders worden gevormd door elementen uit verschillende groepen van het periodiek systeem te combineren, meestal groepen III en V of II en VI. Ze bieden eigenschappen die niet beschikbaar zijn in elementaire halfgeleiders zoals silicium of germanium. Voorbeelden zijn:

Galliumarsenide (GaAs). Combineert gallium (groep III) en arseen (groep V). GaAs heeft een directe bandgap, waardoor het zeer efficiënt is voor opto-elektronische toepassingen.
Indiumfosfide (InP). Combineert indium (groep III) en fosfor (groep V). InP wordt gebruikt in hogesnelheidselektronica en fotonica.
Cadmiumtelluride (CdTe). Een groep II-VI-verbinding die in zonnecellen wordt gebruikt vanwege de optimale bandgap voor fotovoltaïsche omzetting.

Samengestelde halfgeleiders zijn essentieel in toepassingen die een hoge snelheid, hoogfrequente versterking of efficiënte lichtemissie vereisen.

Waar worden halfgeleiders voor gebruikt?

Halfgeleiders zijn integraal onderdeel van een groot aantal apparaten en systemen die de basis vormen van moderne technologie. Dit zijn de belangrijkste toepassingen van halfgeleiders:

Elektronische Componenten

Halfgeleiders zijn essentieel bij de productie van fundamentele elektronische componenten die elektrische signalen regelen en manipuleren. Hier zijn enkele kritische voorbeelden:

diodes. Ingenieurs gebruiken halfgeleidende materialen om diodes te maken, die stroom slechts in één richting laten stromen. Diodes zijn cruciaal in gelijkrichters die wisselstroom (AC) omzetten in gelijkstroom (DC), spanningsregelaars die stabiele spanningsniveaus handhaven en signaaldemodulatieprocessen in communicatiesystemen.
Transistoren. Transistoren fungeren als elektronische schakelaars of versterkers en worden gebouwd met behulp van halfgeleidende materialen. Typen omvatten bipolaire junctietransistoren (BJT's) en veldeffecttransistoren (FET's), die de fundamentele elementen van digitale circuits vormen en complexe berekeningen mogelijk maken.
Geïntegreerde schakelingen (IC's). Geïntegreerde schakelingen bevatten duizenden tot miljarden transistoren en andere componenten op één chip. Gefabriceerd op halfgeleidersubstraten, maken IC's geavanceerde functies mogelijk in compacte en efficiënte vormen, en voeden ze alles van microprocessors naar geheugenapparaten.

Computerapparatuur

In de computertechnologie maken halfgeleiders de verwerking en opslag van informatie mogelijk. Belangrijke toepassingen zijn:

Microprocessoren. De centrale verwerkingseenheden (CPU's) van computers en smartphones worden gebouwd met behulp van halfgeleidertechnologie. Microprocessors voeren instructies uit en voeren berekeningen uit die software mogelijk maken toepassingen om te rennen en te dienen als het 'brein' van elektronische apparaten.
Geheugenapparaten. Het creëren van geheugenapparaten zoals RAM (willekeurig toegankelijk geheugen), ROM (alleen-lezen geheugen) en Flash-geheugen vertrouwt op halfgeleiders. Deze apparaten slaan gegevens en instructies op die computers en andere digitale apparaten gebruiken om te werken.
ASIC's en FPGA's. Application-specific integrated circuits (ASIC's) en field-programmable gate arrays (FPGA's) zijn gespecialiseerde chips die zijn ontworpen voor specifieke taken of die door gebruikers kunnen worden geconfigureerd. Ze worden gebruikt in aangepaste hardware oplossingen voor sectoren als telecommunicatie, automobielindustrie en consumentenelektronica.

Vermogenselektronica

Halfgeleiders spelen een cruciale rol bij het regelen en omzetten van elektrische energie in verschillende toepassingen. Dit zijn de belangrijkste toepassingen:

Vermogenstransistoren. Materialen met halfgeleidende eigenschappen worden gebruikt om vermogenstransistoren te produceren die hoge spanningen en stromen aankunnen. Deze componenten zijn van vitaal belang in toepassingen zoals aandrijvingen van elektrische voertuigen, industriële motorbesturingen en voedingen.
Gelijkrichters en omvormers. Apparaten zoals gelijkrichters en omvormers, die wisselstroom omzetten in gelijkstroom en vice versa, worden mogelijk gemaakt door halfgeleidercomponenten. Ze zijn essentieel in hernieuwbare energiesystemen, onderbrekingsvrije voedingen (UPS) en elektriciteitsnetbeheer.
Spanningsregelaars. Spanningsregelaars op basis van halfgeleiders zorgen voor een constant spanningsniveau en beschermen elektronische apparaten tegen spanningspieken en -schommelingen die schade of Data Loss. Zij zijn cruciaal in voedingseenheden voor computers, televisies en andere elektronische apparatuur.

Communication Systems

Halfgeleiders zijn essentieel bij de transmissie en verwerking van signalen in communicatietechnologieën. Belangrijke toepassingen zijn:

RF-versterkers. Het bouwen van radiofrequentie (RF) versterkers die signalen in draadloze communicatieapparaten versterken, is afhankelijk van halfgeleidende materialen. Deze versterkers zijn fundamenteel in mobiele telefoons, Wi-Fi routersen satelliettransponders, die de signaalsterkte en -kwaliteit garanderen.
Mixers en modulatoren. Mixers en modulatoren, die signalen combineren en veranderen voor transmissie en ontvangst in radio's, televisies en mobiele netwerken, gebruiken halfgeleidercomponenten. Ze maken frequentieconversie en modulatietechnieken mogelijk die essentieel zijn voor uitzending en communicatie.
Antennes en filters. Het fabriceren van componenten zoals antennes en filters die specifieke frequenties selecteren of afwijzen, omvat halfgeleidende materialen. Deze componenten verbeteren de signaalhelderheid en verminderen interferentie in communicatiesystemen, wat de algehele prestaties verbetert.

Opto-elektronische apparaten

Halfgeleiders die interacteren met licht worden gebruikt in een verscheidenheid aan optische toepassingen. Dit zijn de primaire toepassingen:

Lichtgevende diodes (LED's). Bij de productie van LED's, efficiënte lichtbronnen die worden gebruikt in richtingaanwijzers, displays en algemene verlichting, worden halfgeleidende materialen gebruikt die licht uitstralen wanneer ze elektrisch worden voorgespannen. LED's worden steeds vaker gebruikt in koplampen van auto's en straatverlichting vanwege hun energie-efficiëntie en lange levensduur.
Laserdiodes. Halfgeleiderlaserdiodes genereren coherent licht voor toepassingen in telecommunicatie (glasvezelcommunicatie), medische apparatuur (laserchirurgie-instrumenten) en consumentenelektronica (barcodescanners en optische schijfstations). Ze zijn essentieel voor snelle gegevensoverdracht en nauwkeurige metingen.
Fotodetectoren. Apparaten zoals fotodiodes en fototransistoren zetten licht om in elektrische signalen, met behulp van halfgeleidende materialen die gevoelig zijn voor licht. Fotodetectoren zijn essentieel in camera's, optische communicatiesystemen en verschillende sensortoepassingen, waaronder omgevingsbewaking en industriële automatisering.
Zonnecellen. Fotovoltaïsche cellen die zijn gemaakt van halfgeleidende materialen zoals silicium, zetten zonlicht direct om in elektrische energie. Ze zijn essentieel in oplossingen voor hernieuwbare energie, omdat ze de opwekking van elektriciteit in zonnepanelen mogelijk maken voor residentiële, commerciële en nutsbedrijven.

Eigenschappen van halfgeleiders

Halfgeleiders vertonen unieke eigenschappen die ze onmisbaar maken in moderne elektronica. Deze eigenschappen komen voort uit hun atomaire structuur en het vermogen om hun elektrisch gedrag te controleren. De belangrijkste eigenschappen zijn:

Variabele elektrische geleidbaarheid

Halfgeleiders hebben het opmerkelijke vermogen om hun elektrische geleidbaarheid aan te passen door middel van doping en de toepassing van externe elektrische velden. Door specifieke onzuiverheden in het halfgeleidermateriaal te introduceren, kunnen ingenieurs het aantal vrije ladingdragers (elektronen of gaten) verhogen of verlagen. Deze instelbare geleidbaarheid stelt halfgeleiders in staat om te functioneren als isolatoren of geleiders indien nodig, en vormt de basis voor apparaten zoals transistoren en diodes die elektrische signalen in circuits regelen.

Energiebandstructuur

De kenmerkende energiebandstructuur van halfgeleiders heeft een bandgap tussen de valentieband en de geleidingsband. Elektronen moeten voldoende energie verkrijgen om deze bandgap te passeren, waardoor controle over de elektronenstroom binnen het materiaal mogelijk is. Deze eigenschap stelt halfgeleiderapparaten in staat om te schakelen tussen geleidende en niet-geleidende toestanden, wat essentieel is voor digitale elektronica waarbij binaire toestanden informatie vertegenwoordigen.

Ladingdragercontrole

De manipulatie van ladingdragers - elektronen en gaten - is fundamenteel voor de werking van halfgeleiders. Door het type en de concentratie van dopanten te controleren, kunnen ingenieurs n-type of p-type halfgeleiders creëren met respectievelijk elektronen of gaten als de meerderheidsdragers. Deze controle maakt het ontwerp mogelijk van pn-overgangen en andere structuren waarbij de stroom kan worden gemoduleerd door externe spanningen, wat cruciaal is voor het functioneren van transistoren, diodes en geïntegreerde schakelingen.

Thermische gevoeligheid

Halfgeleiders zijn gevoelig voor temperatuurveranderingen, waarbij de elektrische geleidbaarheid toeneemt naarmate de temperatuur stijgt door de generatie van extra elektron-gatparen. Deze eigenschap is voordelig in apparaten zoals thermistoren die worden gebruikt voor temperatuurdetectie. In elektronische circuits vereist thermische gevoeligheid echter zorgvuldig thermisch beheer om de stabiliteit van het apparaat te behouden en prestatievermindering door oververhitting te voorkomen.

Optische eigenschappen

Halfgeleiders kunnen licht uitzenden of absorberen op specifieke golflengtes die worden bepaald door hun bandgap-energie. Wanneer elektronen tussen energiebanden overgaan, kunnen ze fotonen vrijgeven of absorberen. Dit maakt halfgeleiders ideaal voor opto-elektronische apparaten zoals lichtgevende diodes (LED's), laserdiodes, fotodetectoren en zonnecellen. Door materialen met geschikte bandgaps te selecteren, kunnen apparaten worden ontworpen om te interacteren met licht over een reeks golflengtes.

Wat zijn de voordelen van halfgeleiders?

Dit zijn de belangrijkste voordelen van halfgeleiders:

Klein formaat en lichtgewicht. Halfgeleiders maken het mogelijk om compacte en draagbare apparaten te maken, zoals smartphones, laptops en wearables. Hierdoor wordt technologie gemakkelijker en toegankelijker.
Hoge efficiëntie. Deze materialen verbruiken minder stroom, waardoor het energieverbruik en de kosten dalen. Dit is vooral belangrijk voor apparaten die op batterijen werken.
Schaalbaarheid. Halfgeleiders ondersteunen de integratie van miljoenen of miljarden transistoren op één enkele chip, wat de vooruitgang in de computertechnologie stimuleert, AIen gegevensopslag.
Hoge snelheid. Ze maken snelle signaalverwerking en -schakeling mogelijk, wat essentieel is voor snelle berekeningen en moderne communicatienetwerken.
Duurzaamheid en betrouwbaarheid. Halfgeleiderapparaten zijn robuust en hebben minder bewegende onderdelen. Dit leidt tot een langere levensduur en minder onderhoudsvereisten.
Kosten efficiëntie. Dankzij geavanceerde productieprocessen kunnen halfgeleiders op betaalbare wijze op grote schaal worden geproduceerd. Dit levert voordelen op voor zowel de industrie als de consument.
Veelzijdigheid. Van microprocessoren tot zonnecellen: halfgeleiders kunnen op maat worden gemaakt voor uiteenlopende toepassingen in verschillende sectoren.
Ondersteuning voor automatisering en IoT. Halfgeleiders voeden slimme sensoren en apparaten en maken connectiviteit en efficiëntie mogelijk in huizen, industrieën en steden.
Voordelen voor het milieu. Oplossingen op basis van halfgeleiders, zoals fotovoltaïsche cellen, dragen bij aan de acceptatie van hernieuwbare energie en verminderen de impact op het milieu.

Wat zijn de uitdagingen bij de productie van halfgeleiders?

Het produceren van halfgeleiders vereist zeer geavanceerde processen en kent verschillende belangrijke uitdagingen die de efficiëntie en kosteneffectiviteit van de productie beïnvloeden. De belangrijkste uitdagingen zijn:

Productieprecisie

Voor de fabricage van halfgeleiderapparaten is precisie op nanometerschaal vereist. Geavanceerde technieken zoals fotolithografie worden gebruikt om ingewikkelde circuitpatronen over te brengen op halfgeleiderwafers met toleranties op atomair niveau. Elke kleine afwijking of defect zorgt ervoor dat chips niet meer werken. Om dit precisieniveau te bereiken, zijn geavanceerde apparatuur, gecontroleerde omgevingen en nauwkeurige procescontrole nodig.

Materiële zuiverheid

Ultrahoge zuiverheid van halfgeleidermaterialen is essentieel, omdat onzuiverheden ongewenste energieniveaus binnen de bandgap introduceren, wat de prestaties van het apparaat negatief beïnvloedt. Silicium dat wordt gebruikt bij de productie van halfgeleiders moet onzuiverheidsniveaus hebben van minder dan één deel per miljard. Het handhaven van een dergelijke zuiverheid vereist geavanceerde raffinageprocessen en contaminatievrije productieomgevingen.

Hoge productiekosten

Het bouwen en exploiteren van halfgeleiderfabricagefaciliteiten vergt een aanzienlijke kapitaalinvestering, vaak oplopend tot meerdere miljarden dollars. Deze faciliteiten vereisen cleanrooms met strenge milieucontroles, geavanceerde apparatuur en gespecialiseerde technologieën. De hoge kosten vormen aanzienlijke toetredingsdrempels en vereisen grootschalige productie om schaalvoordelen te behalen.

Technologische complexiteit

Naarmate de functies van apparaten steeds kleiner worden, worden geavanceerde technologieën zoals extreme ultraviolet (EUV) lithografie noodzakelijk. Om gelijke tred te houden met de wet van Moore is continu onderzoek en ontwikkeling nodig om fysieke beperkingen te overwinnen en nieuwe fabricagemethoden te innoveren. Deze complexiteit vergroot de uitdagingen op het gebied van productie en vereist voortdurende investeringen in technologische vooruitgang.

Afhankelijkheden van de toeleveringsketen

De halfgeleiderindustrie vertrouwt op een wereldwijd netwerk voor apparatuur, grondstoffen en gespecialiseerde chemicaliën. Verstoringen in de toeleveringsketen, vanwege geopolitieke factoren, natuurrampen of economische problemen, kunnen leiden tot vertragingen in de productie en de beschikbaarheid van halfgeleiderproducten beïnvloeden. Het beheren van deze afhankelijkheden is cruciaal om een stabiele levering van componenten te garanderen.

Milieu- en veiligheidsproblemen

Bij de productie van halfgeleiders wordt gewerkt met gevaarlijke materialen zoals arsinegas en waterstoffluoridezuur, waarvoor strenge veiligheidsprotocollen nodig zijn om werknemers en het milieu te beschermen. De industrie moet voldoen aan milieuvoorschriften, afvalbeheersystemen implementeren en investeren in veiligheidstrainingen en -apparatuur om risico's die verband houden met giftige stoffen te beperken.

Opbrengst optimalisatie

Het behalen van hoge productieopbrengsten is een uitdaging vanwege de complexiteit van halfgeleiderprocessen en de vereiste precisie. Microscopische defecten kunnen chips onbruikbaar maken, wat de winstgevendheid beïnvloedt. Continue procesverbetering, defectdetectietechnologieën en kwaliteitscontrolemaatregelen zijn essentieel om de functionele output te maximaliseren en de economische levensvatbaarheid te behouden.

Schaalbeperkingen

Naarmate transistoren atomaire schalen naderen, ontstaan er fysieke barrières zoals kwantumtunneling en korte-kanaaleffecten. Kwantummechanische verschijnselen kunnen lekstromen en onvoorspelbaar gedrag veroorzaken, wat verdere miniaturisatie uitdaagt. Om deze schaalbeperkingen aan te pakken, zijn nieuwe materialen, apparaatarchitecturen en innovatieve technische oplossingen nodig.

Warmteafscheiding

Hogere componentdichtheden leiden tot hogere warmtegeneratie in halfgeleiderapparaten. Effectief thermisch beheer wordt cruciaal om de betrouwbaarheid en prestaties van het apparaat te behouden. Innovatieve koeloplossingen, zoals geavanceerde koellichamen, thermische interfacematerialen en thermisch ontwerp op chipniveau, zijn nodig om warmte efficiënt af te voeren.

Intellectueel eigendom en innovatie

Snelle technologische vooruitgang in de halfgeleiderindustrie vereist aanzienlijke investeringen in onderzoek en ontwikkeling. Het beschermen van intellectueel eigendom is cruciaal in een concurrerende markt om innovaties te beschermen en een concurrentievoordeel te behouden. Navigeren door patentwetten, licentieovereenkomsten en potentiële rechtszaken voegt complexiteit toe aan het industriële landschap.