Materialen kunnen elektrische stroom geleiden, of juist niet. We noemen dat geleiders en isolatoren. Maar er is nog een derde type materiaal, de zogenoemde halfgeleider. Die heeft bijzondere eigenschappen die aan de basis liggen van de techniek in onze moderne wereld. Ze vormen het fundament van computers. Laten we eens uitzoeken hoe dat zit.
Wat is een halfgeleider? Het simpele antwoord is dat de geleiding van stroom hierin tussen die van een isolator en een geleider in ligt. Maar dit zegt nog niet zo veel. Om het beter te begrijpen, is het daarom goed als we eerst eens kijken wat geleiding precies is. En daarvoor moeten we weten hoe materialen op atomair niveau in elkaar zitten.
Structuur van materialen
De quatummechanica leert ons dat de elektronen in atomen zich in heel nauwkeurig gedefinieerde banen rondom de kern bevinden. Belangrijk kenmerk is dat een elektron in z’n baan een heel precieze energie heeft, het kan niet iets meer of iets minder zijn.
Als je atomen dicht bij elkaar brengt om er een materiaal van te maken (een koperdraad of een plasticfolie) zullen de elektronen van al die atomen elkaar beïnvloeden. In figuur 1 zie je hoe dit werkt. Rechts zie je de atoombanen (met de namen s en p) weergegeven met een onderlinge afstand van enkele elektronvolts. De energie-eenheid die we voor atoombanen gebruiken is de elektronvolt, de eV (1 eV = 1,602 . 10-19 J). Als je naar links gaat (dat wil zeggen de atomen dicht op elkaar pakt) ontstaan banden waarbinnen de afstanden in energie heel erg klein zijn (10-22 eV).

Deze banden zijn eigenlijk structuren van heel dicht bij elkaar liggende elektronbanen. Er zijn twee belangrijke banden, de valentieband (valence band) en de geleidingsband (conduction band). In de eerste band zitten elektronen met een lage energie, dat betekent dat ze sterk gebonden zijn aan de atoomkern (je kan zeggen dat ze ‘dicht’ bij de kern zitten). Vanwege die sterke binding aan de kern kunnen deze elektronen niet door de stof bewegen. In de geleidingsband zitten elektronen met een hogere energie, die veel makkelijker door de stof kunnen bewegen. Tussen deze twee banden zit een zogenoemde band gap, of energiekloof, een afstand in energie die elektronen moeten overwinnen om van de valentieband naar de geleidingsband te komen. De grootte van de band gap hangt af van het soort atoom waar de stof uit opgebouwd is. In een isolator zoals steen (bijvoorbeeld bestaande uit siliciumverbindingen) is de band gap groot, typisch 5 tot 10 eV. Elektronen zullen dan vooral in de valentieband zitten en het materiaal geleidt niet. In metalen zoals koper, ijzer en metaalverbindingen is de band gap zelfs afwezig, dat wil zeggen dat de twee banden elkaar overlappen. Er komen dan veel elektronen in de geleidingsband, dat noemen we vrije elektronen. Die elektronen kunnen zich vrij door het hele materiaal heen bewegen. Ze kunnen echter niet zonder meer het materiaal verlaten, daarvoor zitten ze te vast aan de atoomkernen. In technische termen zeg je dan dat de metaalionen een potentiaalput vormen met deze twee banden, waardoor de elektronen nog extra energie nodig hebben om eruit te komen. Dat kan bijvoorbeeld door het materiaal te verwarmen.
Geleiding
Dat elektronen vrij door een materiaal als koper bewegen, kunnen we inzichtelijk maken met het model van een zogenoemd elektronengas. Dit is wel een bijzonder gas, dus niet zoals we dat kennen van moleculen in bijvoorbeeld de lucht. We kunnen het voorstellen als pingpongballetjes die tegen elkaar botsen. In een elektronengas zijn de ‘gasdeeltjes’ die vrij bewegen geladen en bevinden ze zich in een structuur die we met quantummechanica moeten beschrijven. Maar het beeld van de pingpongballetjes werkt wel goed.
Hoewel het elektronengas elektrisch negatief geladen is, is de stof neutraal door de positieve atoomkernen. De elektronen hebben interactie met elkaar en met de atoomkernen en bewegen binnen de grenzen van het materiaal alle kanten op. Totdat je een spanning aanlegt, bijvoorbeeld als je een batterij aansluit op een stukje koperdraad, dan gaan ze collectief één kant op bewegen en dat noemen we de elektronenstroom.
Deze elektrische geleiding kunnen we voorstellen zoals in figuur 2. De rode bollen zijn atomen die de stof vormen, de kleine blauwe bolletjes zijn de vrij bewegende elektronen in de geleidingsband.

Halfgeleiders
Terug naar de halfgeleiders. In figuur 3 zie je schematisch de verschillen in basisstructuur van geleiders (metaal), halfgeleiders en isolatoren. Belangrijkste element is de band gap, die naar rechts toe steeds groter is.

Een geleider zal zonder problemen een stroom geleiden. Om geleiding in de andere twee te laten ontstaan, zul je moeten zorgen dat er elektronen van de valentieband naar de geleidingsbang ‘springen’. Bij een halfgeleider is dat mogelijk, bij een isolator is het gat zo groot dat het in praktijk zo goed als niet voorkomt.
Er zijn meerdere manieren om dit promoveren van elektronen naar de geleidingsband te bewerkstelligen. Met warmte, met licht, met hoogenergetische straling (zoals röntgen- of gammastraling) of door het aanleggen van elektrische velden. Bij isolatoren zijn de benodigde temperaturen of elektrische velden zo hoog dat het eigenlijk niet gedaan wordt, ook omdat er dan vaak permanente schade aan het materiaal ontstaat (het verbrandt bijvoorbeeld). Bij halfgeleiders kan het veel makkelijker en dat zorgt voor een paar bekende toepassingen die ook eerder al genoemd zijn in het artikel over de Wet van Ohm.
Toepassingen van halfgeleiders
Een van die toepassingen is een weerstand die afhankelijk is van de temperatuur, en dan specifiek de NTC oftewel een weerstand met een negatieve temperatuurcoëfficiënt. Bij zo’n NTC neemt de weerstand af als de temperatuur stijgt. In figuur 4 zie je hoe zo’n weerstand eruitziet.

Dat de weerstand afneemt bij toenemende temperatuur is een bijzonder effect, want het lijkt logisch dat de weerstand stijgt als de temperatuur van het materiaal toeneemt. En dat is vaak ook zo, bijvoorbeeld in een metaal. Een hogere temperatuur betekent dat de metaalatomen in het materiaal heftiger trillen en dat betekent weer dat de elektronen vaker botsen en dus moeilijker bewegen. Maar een NTC is gemaakt van halfgeleidermateriaal, wat betekent dat de band gap te groot is om stroom makkelijk te geleiden bij kamertemperatuur, de NTC heeft dan dus een bepaalde weerstand. Maar als je het metaal verwarmt, krijgen de elektronen meer energie en kunnen ze van de valentieband naar de geleidingsband promoveren, er komen meer elektronen beschikbaar om stroom te geleiden zodat de weerstand omlaaggaat.
Iets soortgelijks zie je bij een LDR (ook in figuur 4), of light-dependent resistor, een lichtgevoelige weerstand. Daar nemen de elektronen een lichtfoton op en springen zo naar de geleidingsband. Hoe meer licht er op een LDR valt hoe meer elektronen er springen. Hierdoor neemt de stroom toe en neemt de weerstand af.