Dag Jos,

Hier volgt een heel verhaal. Als ik je vraag zo lees denk ik dat je er een deel wel al van snapt, maar dat is dan alvast voor en ander moet je maar denken.

Halfgeleider betekent precies wat het woord zegt: het geleidt maar half. Te slecht om een geleider te mogen heten, maar ook weer te goed om isolator te zijn.

Elektronen gaan onder invloed van een potentiaalverschil door geleidend materiaal heen stromen. Dat kan iedereen met een beetje gevoel voor elektra zich wel voorstellen. 
 
Atoommodel
In een atoomkern zitten positief geladen protonen. In een simpel Bohr-model vliegen er elektronen in cirkelvormige banen rondom een atoomkern. Die zijn negatief geladen. Het atoom is gelukkig, het heeft evenveel protonen als elektronen, het is elektrisch neutraal.

Die elektronen vliegen niet zomaar rond, maar in schillen rondom die kern. In elke schil passen maar een bepaald aantal elektronen. Is de schil het dichtst bij de kern vol (en daar passen er maar twee in) dan zal een volgend elektron een plekje hogerop moeten zoeken, in de tweede schil. Die tweede schil heeft al plaats voor 8 elektronen, onderverdeeld in twee subschillen van respectievelijk 2 en 6 elektronen. Hoe groter het atoom, hoe meer protonen in de kern, hoe meer elektronen nodig zijn om als atoom neutraal te blijven, hoe verder weg van de kern er weer volgende schillen gevuld moeten gaan worden.

In elke schil respectievelijk subschil passen er een bepaald aantal elektronen.
Om redenen die te ver voeren hiervoor streven atomen er naar om buitenste (sub)schillen vól te hebben.
NB, dat heeft niets te maken met lading van atomen, die zijn en blijven neutraal, omdat er altijd evenveel protonen als elektronen zijn.

Zit er maar één elektron in zo'n buitenste subschil waar er bijvoorbeeld 6 in zouden kunnen passen, dan zou zo'n atoom er graag 5 te leen krijgen, óf, wat in zo'n geval makkelijker is, er één uitlenen. De onderliggende schil wordt dan de buitenste, en die is wél vol. Maar ja, dan zou dat ladingevenwicht verstoord worden.

Atomen spelen dat uitlenen en bijlenen klaar door bindingen aan te gaan met andere atomen. Twee waterstofatomen met elk een elektron teveel voor een volle buitenschil gaan die uitlenen aan een zuurstofatoom dat in zijn buitenste schil 4 elektronen heeft zitten, en die buitenste zuurstofschil heeft er zo twee te kort voor een volle schil. Ze reageren met elkaar en vormen H₂O. Everybody happy. In het molecuul is er nog steeds elektrisch evenwicht (evenveel protonen als elektronen) de te lege respectievelijk te volle schillen zijn "gevuld" met gedeelde elektronen. Gedeelde smart is halve smart.
 
Maak je nou een kristal met alleen silicium, dan kunnen die netjes van elkaar de 4 elektronen lenen die ze nodig hebben om die buitenste schil vol te krijgen. Silicium is dan ook een behoorlijk goede isolator.
 
Maar het kristal kan vervuild zijn (en wij doen dat expres). In het eerste plaatje zie je meerdere atomen in dat rooster die niet zo happy zijn. <



Dat fosforatoom rechts in het plaatje (de P is van Phosphorus, niet van Positief) wil graag 5 elektronen uitlenen, maar vindt maar 4 buren in dat rooster om een elektron mee te delen. Er is een elektron teveel. Fosfor-verontreinigd silicium heeft dus elektronen beschikbaar die maar héél losjes gebonden zitten. Dat is dan een N(egatief) gedopete halfgeleider.
 
P-materiaal (links) bevat atomen die niet netjes in het rooster passen waardoor er een tekort is aan valentie-elektronen om rondom alle gewenste valentiebindingen in het rooster af te maken. Kijk maar naar dat siliciumatoom naast het boriumatoom, alle siliciumatomen hebben 4 bindingen met de buren, maar hij niet Er zit als het ware een gat waar eigenlijk een elektron zou moeten zitten om het kristalrooster weer perfect te maken. Vandaar de term gat. (hole)

(Het eerste plaatje geeft dus de plek weer waar het N en P materiaal tegen elkaar aan zitten, de grenslaag in een diode).

Een deel van de atomen in een P-rooster heeft dus als het ware een pootje minder dan ze nodig hebben om alle buuratomen vast te pakken (het rode boriumatoom in het plaatje). Zo'n buurman heeft zijn pootjes daardoor ook niet vol. Wil de buurman dat losse pootje vastpakken, dan zal hij een ander atoom moeten loslaten, en dan heeft dát atoom ineens een pootje over. Als zo'n binding omflipt van Si-Si naar Si-B, dan móet daar een elektron mee mee, want B heeft dat elektron niet. Dus dan zit er ineens een Si-atoom met een valentie-elektron tekort.



. Dat gaat 'ie bij de buren zoeken om die valentiebinding te kunnen herstellen.  Zoiets als dat iemand jouw balpen heeft gejat, en jij uit arren moede dan maar bij een ander een balpen gaat jatten. Een soort zwarte-pietenspel op atomaire schaal. Een gat in P-halfgeleidermateriaal is dus niks anders als een gewenste covalente binding waarvoor een elektron tekort is. Een covalente binding die voor de helft uit niks bestaat. Er is op dat plekje NIETS, en er zou liefst IETS moeten komen.

 
Het gat is dus niet een deeltje dat je kunt aanwijzen, het is net werkverschaffen, er is een kuil, en die vul je met grond die je een eindje verderop weggraaft, verrek, nou is daar weer een kuil, die ga je weer opvullen met grond weer ergens anders vandaan, verrek, etc. Letterlijk een geval van het spreekwoordelijke ene gat vullen met het andere. Zo kan dat positieve "gat" door het materiaal heenzwerven. Zet je er spanning op, dan zorg je er alleen maar voor dat dat zwerven een bepaalde richting krijgt. Zo schuiven eigenlijk alle elektronen één plaatsje een bepaalde kant op. Je zou dus ook kunnen zeggen: honderd elektronen schuiven één atoom op", ipv te zeggen "het gat schuift honderd atomen op". Dat is maar hoe je het bekijkt. Maar dat kan alleen maar als er éérst ergens een gat is om mee te beginnen.
 
Dus, silicium is een isolator, vervuild silicium een halfgeleider. Dankzij de gaten.
 
Duidelijk zo?
 
Groet, Jan
 
afbeeldingen met dank aan http://www.corrosion-doctors.org/Solar/silicon.htm en bewerkt door mij

 Bedankt voor de uitgebreide uitleg, maar kheb toch nog enkele vraagjes.

De elektronen zullen dus aangetrokken worden door de positieve pool van de batterij en hierdoor zullen de positieve holtes naar de negatieve pool van de batterij verschuiven. Maar als die positieve holtes dan eenmaal zijn toegekomen aan de negatieve pool, dan is het toch gedaan met bewegen? Zullen ze daarna nog zorgen voor een betere geleiding? Ze zullen er dan ook niet meer voor zorgen dat die andere elektronen bewegen.

 

Dag Jos,

Nou zou je bijna met legoblokjes o.i.d. moeten gaan spelen, want je ziet het kennelijk nog niet voor je . Je zegt dat je een gat naar de negatieve pool ziet gaan, en dat het daar gedaan is met bewegen.

Denkpet op.......

Dat gat wordt aan die negatieve pool gevuld met een elektron. OK, maar wat denk je dat er gebeurt aan de kant waar je halfgeleider is aangesloten op de positieve pool van diezelfde batterij??

Juist: daar verdwijnt er een elektron en ontstaat er weer een nieuw gat. En dat gaat weer van flipperdeflip totdat dat ook weer aan die negatieve kant is.  

Hou heel goed in de gaten (double entendre): een gat is niets fysieks, je kunt het niet vastpakken ( in tegenstelling tot wat de mol van Winnie de Pooh met zijn gaten doet).

Een gat is juist het ontbreken van iets fysieks: een elektron.

Begint het te dagen??

Groet, Jan

Ok, maar dat nieuwe gat dat dan onstaat, is niet meer de oorzaak van de onzuiverheden die men erin heeft gebracht(de elementen uit groep 3a, extrinsiek) ?! Die nieuwe gaten worden veroorzaakt door warmte of zo? (intrinsiek). Zie ik iets over het hoofd weer?

Toch wel hoor. Het zal niet meevallen om een elektron uit zuiver silicium te halen, want daarmee open je bindingen tussen silicium-atomen en die houden daar niet zo van, toch zeker niet als dat niet weer vlot kan worden aangevuld. Maar die borium-atomen zitten daar helemaal niet zo lekker met 4 bindingen waar ze er maar drie wensen.  Dus dicht in de buurt is er in P-vervuild silicium altijd wel een boriumatoom in de buurt dat die overtollige binding (en daarmee een elektron)waar eerst dat gat zat, liever kwijt dan rijk is. Van daaruit kan zo'n gat aan de positieve pool vlot worden aangevuld en gaat de trein weer lopen.

Schaam je trouwens niet hè, dit is allemaal best wel tegen alle intuïtie in. Ik heb er destijds ook best even over gedaan voordat ik deze flipperkast doorhad.

Ok, denk dat ik het nu zo ongeveer door heb. Bedankt voor de misverstanden uit de weg te ruimen.