Halfgeleiders? Kennis over halfgeleiders is onmisbaar als je de werking van een zonnecel wilt verklaren. Een halfgeleider is een materiaal dat zich qua geleiding tussen de isolatoren en de geleiders in bevindt (zie band gap voor een uitgebreidere discussie hiervan). Het gedrag (lees: de geleiding) van een halfgeleider is afhankelijk van een aantal omgevingsvariabelen. Denk hierbij aan temperatuur of invallende lichtsterkte. De geleiding van een halfgeleider kan gereguleerd worden door de kristalstructuur te voorzien van onzuiverheden. Dit proces wordt doteren genoemd. In dit artikel veronderstellen we enige scheikundige basiskennis.
Silicium
Eén van de meest gebruikte halfgeleiders is het materiaal Silicium. Je komt het tegen in je computer, de televisie, je radio, maar ook als hoofdingrediënt van zonnepanelen. Silicium heeft (samen met het diamant-vormende koolstof) de bijzondere eigenschap dat het in zijn buitenste schil vier elektronen heeft. Deze elektronen kunnen perfecte covalente bindingen vormen met omliggende Silicium-atomen. Dit betekent dat een groot netwerk van silicium-atomen zich met elkaar kan binden tot één groot kristal. Binnen zo’n kristal vind je geen vrije elektronen, omdat elk silicium-atoom zijn buitenste elektronen deelt met zijn vier ‘buren’. Aangezien vrije elektronen een materiaal tot metaal maken, is een silicium-kristal dus geen metaal. Een puur silicium-kristal geleidt dan ook niet. In het periodiek systeem wordt deze dubbelzinnigheid afgevangen door Silicium te classificeren als een metalloïde.
Doteren
Om het silicium-kristal geleidend te maken, kunnen we het voorzien van onzuiverheden; we gaan het doteren. Er zijn twee soorten onzuiverheden die in het kristal aangebracht kunnen worden:
- P-type: om een P-type onzuiverheid aan te brengen, wordt het siliciumkristal verrijkt met boron (boor) of gallium. Deze twee materialen hebben allebei maar 3 elektronen in hun buitenste schil, in tegenstelling tot de vier van silicium. Wanneer dit materiaal in het siliciumkristal wordt opgenomen, ontstaan plaatsen met een tekort van één elektron. Dit tekort veroorzaakt een lokale positieve lading, waar we de naam P-type vandaan halen. Deze positieve lading heeft tot gevolg dat het gat maar al te graag elektronen van naburige atomen accepteert. Zodra dit gebeurt, verdwijnt het gat. Echter, omdat bij de ‘buurman’ weer een tekort ontstaat, is het netto resultaat dat het gat een plaatsje opschuift. Dit ‘wandelen’ van gaten zorgt ervoor dat het kristal elektrische stroom kan geleiden.
- N-type: in N-type dotering worden kleine hoeveelheden fosfor of arseen in het kristal aangebracht. Zowel fosfor als arseen hebben vijf elektronen in hun buitenste schil, wat ervoor zorgt dat er op bepaalde plaatsen een elektron over is. Dit elektron kan zich vrij door het materiaal bewegen, waardoor het materiaal als geheel geleidend wordt. De naam N-type dotering is afgeleid van het feit dat elektronen een negatieve lading hebben.
De grenslaag – diodes
N-type en P-type halfgeleiders zijn op zichzelf niet bijzonder; het zijn maar matige geleiders. Echter, zodra je de materialen tegen elkaar aanzet, worden ze interessant. Een bekend schakelelement waarin dit gedaan wordt, is een diode. Op het moment dat je de batterij aansluit zoals in onderstaande afbeelding, worden de positief geladen gaten van het P-materiaal door de positieve pool van de batterij afgestoten. Hetzelfde geldt voor de elektronen, die door de negatieve pool van de batterij worden afgestoten. Op het grensvlak tussen het P- en N-type materiaal komen de gaten en elektronen elkaar tegen. De elektronen vullen hier de gaten op, waardoor elders in het materiaal weer nieuwe gaten en elektronen vrijkomen. Het gevolg is dat er een stroom loopt.
Sluit je de batterij echter omgekeerd aan dan op bovenstaande afbeelding, dan worden de gaten door de negatieve pool aangetrokken en de elektronen door de positieve pool. De gaten en elektronen worden feitelijk uit elkaar getrokken en zullen elkaar dus niet ontmoeten in de grenslaag. Het gevolg is dat er dus geen stroom kan lopen. Een diode geleidt dus maar in één richting! Het is dit principe dat bij zonnepanelen gebruikt wordt om zonlicht om te zetten in stroom.
