Semiconductoren

Semiconductoren (halfgeleiders) zijn materialen met elektrische geleidbaarheid die tussen die van metalen en isolatoren ligt en die sterk kan variëren met temperatuur, dopingsamenstelling en extern elektrisch veld. De belangrijkste halfgeleiders zijn silicium (Si) en germanium (Ge); daarnaast worden samengestelde halfgeleiders gebruikt, zoals galliumarsenide (GaAs), indiumfosfide (InP) en siliciumcarbide (SiC). Intrinsieke halfgeleiders hebben bij kamertemperatuur een relatief lage geleidbaarheid; door doping kan de geleidbaarheid worden vergroot en kan het type drager worden bepaald (n-type met donoren, p-type met acceptoren). Een PN-junctie vormt de kern van diodes en veel transistors.

Draagdragers zijn elektronen en gaten; hun beweging onder elektrische velden bepaalt de werking van halfgeleiderapparaten. Transistors, waaronder bipolaire transistoren (BJT) en veld-effecttransistors (FET, zoals MOSFETs), vormen de bouwstenen van moderne elektronica. Geïntegreerde schakelingen plaatsen vele miljoenen tot miljarden componenten op een enkele wafer, waardoor computers, smartphones en andere apparaten mogelijk worden. Halfgeleiders worden ook op grote schaal toegepast in zonnecellen, LED’s, sensoren en vermogen-elektronica.

Fabricage gebeurt op kristallen wafers, meestal silicium. Dopingsprocessen zoals diffusie of ionenimplantatie, lithografie en laagdepositie bepalen de structuur; metallisatie maakt elektrische verbindingen mogelijk. Productie vindt plaats in ultrazuivere cleanrooms en vereist strikte kwaliteitscontroles en gespecialiseerde verpakking.

Historisch veranderden halfgeleiders de technologie: de transistor werd in 1947 ontwikkeld bij Bell Labs, het geïntegreerde circuit volgde in 1958. Tegenwoordig blijven onderzoekers werken aan nieuwe materialen en ideeën, zoals 2D-materialen en spintronics, om de prestaties en energiedichtheid van apparaten te verbeteren.