siliciumgeleiding

Siliciumgeleiding is het elektrische transport van ladingsdragers in kristallijn silicium onder invloed van een elektrisch veld. In zuiver silicium is de intrinsieke geleiding bij kamertemperatuur beperkt; de geleiding ontstaat uit elektronen in de conduktieband en gaten in de valentieband. De intrinsieke draagerdichtheid n_i bij circa 300 K bedraagt ongeveer 1×10^10 cm^-3 en de bandkloof bedraagt ongeveer 1,12 eV.

Bij extrinsieke siliciumgeleiding wordt de geleiding sterk beïnvloed door doping. Donoren zoals fosfor, arsenicum en antimonium geven extra elektronen aan de geleiding en creëren n-type silicium; acceptoren zoals boor en aluminium creëren gaten en leveren p-type silicium. De geleiding kan worden uitgedrukt als σ ≈ q(n μ_n + p μ_p), waarbij q de elementaire lading is, n en p de concentraties van vrije elektronen en gaten, en μ_n en μ_p hun mobiliteiten. Bij kamertemperatuur zijn typische mobiliteiten voor silicium μ_n ≈ 1350 cm^2/(V·s) en μ_p ≈ 450 cm^2/(V·s). Dopingniveaus bepalen of elektronen of gaten de meerderheid dragen; veelvoorkomende dopantconcentraties liggen in de orde van 10^14–10^18 cm^-3.

De bandstructuur van silicium bepaalt mede de geleiding: dopants creëren nabijgelegen energieniveaus die elektronen of gaten makkelijker vrijmaken, wat de geleiding bij lage tot matige temperaturen vergemakkelijkt. Bij hogere temperaturen neemt de intrinsieke draagermogelijkheid toe doordat n_i stijgt, waardoor de relatie σ = q(n μ_n + p μ_p) minder overheerst door doping wordt.

Toepassingen van siliciumgeleiding zijn onder meer diodes, transistors en andere kristallijn-siliciumapparaten in geïntegreerde circuits en zonnecellen. De gecontroleerde geleiding door doping is centraal in moderne elektronica.