Halfgeleiders

In dit artikel wil ik graag een onderdeel behandelen wat een doorslaggevende invloed heeft gehad op zowat alle omringende apparatuur; de halfgeleider.

Halfgeleiders

De term halfgeleider is eigenlijk voortgevloeid uit de vraag wat nu eigenlijk tussen een geleider, zoals koperdraad of een ander metaal, en een isolator, zoals kunststof of hout, ligt. Elektriciteit kan getransporteerd worden door een geleider, zoals een draad, en we zijn veilig voor die elektriciteit door de isolator, het PVC, wat om die draad heen zit, maar wat doet een halfgeleider nu precies?

Om het in chemische termen te verwoorden: een geleider is een stof waarvan de moleculen tenminste 4 elektronen in de buitenste schil hebben (8 is het maximum) en een niet-geleider of isolator heeft ten hoogste 4 elektronen in de buitenste schil. Een halfgeleider echter heeft er precies 4 en we kunnen daarom het materiaal laten ´omklappen´ tussen geleiden en niet-geleiden. Het begon allemaal met germanium, maar gaandeweg nam silicium het over en dat is nu voor 99 % het toegepaste materiaal voor halfgeleiders.

We nemen dus een stukje van dat silicium en ´doteren´ dat, oftewel we voegen een heel klein beetje vervuiling toe, zodat het een voorkeur krijgt voor een bepaalde stroomrichting als het in geleiding gebracht wordt. De eerste halfgeleider was een diode, wat niets anders is dan een stukje halfgeleidermateriaal wat in één richting elektriciteit doorlaat, maar niet de andere kant op. We hebben niet echt invloed op de hoeveelheid elektriciteit die doorgelaten wordt, maar dat willen we wel natuurlijk. Dat beïnvloeden van de geleiding, of ´omklappen´ doen we met een stuurelektrode. We hebben in principe dus drie aansluitingen op een halfgeleider;  een ingang, een uitgang en een stuurelektrode. Het is een beetje als een kraan; aan één kant sluit je de waterleiding aan, de toevoer, aan de andere kant bijvoorbeeld de doucheslang en met de draaiknop regel je de hoeveelheid water die er door stroomt. Bij een halfgeleider sluiten we de ingang op een spanningsbron aan, de voeding van een versterker bijvoorbeeld, op de uitgang sluiten we de luidspreker aan en de op de stuurelektrode wordt het geluidssignaal losgelaten. Dat is natuurlijk allemaal theorie, in de praktijk komt er wel iets meer kijken, maar op dit principe is wel de werking van een versterker gebaseerd.

Soorten halfgeleiders

Ik noemde al even de diode als de moeder van alle halfgeleiders; die wordt nog steeds op grote schaal toegepast; sterker nog, zonder diodes konden we van de wisselspanning uit het stopcontact geen gelijkspanning maken, waarmee we weer allerlei apparatuur aan de praat krijgen. Nog steeds van vitaal belang dus, die diodes. Daarnaast kennen we de transistor; ook een oude getrouwe en nog steeds op grote schaal toegepast. Het is de eerste stuurbare halfgeleider en dat besturen van die halfgeleider gebeurt met een stroompje op de stuurelektrode. De spanning op de stuurelektrode blijft constant ten opzichte van de uitgang of emitter elektrode, maar we sturen een stroompje naar binnen en naarmate dat stroompje groter wordt, gaat de transistor beter geleiden.

In de vroege jaren ´70 werd er echter een variant op de transistor ontdekt; de veld effect transistor, in het Engels Field Effect Transistor, kortweg FET genaamd. In tegenstelling tot de gewone transistor wordt bij een FET de mate van geleiding niet met een stroompje, maar met een spanningkje beïnvloed. Sony was een van de eerste fabrikanten die met een reeks met FET´s uitgeruste versterkers op de markt kwam. Die eerste FET´s werden V-FET´s genoemd en de versterkers waren al snel berucht om hun mogelijke instabiliteit en de hoge kosten van reparatie als die V-FET´s het lieten afweten. Natuurlijk stonden de ontwikkelingen niet stil en in de jaren ´80 kwamen de eerste MOS-FET´s op de markt, waarbij MOS staat voor Metal Oxyde Semiconductor. Dit nieuwe proces van fabricage van FET´s alsmede de nieuwe hulpstoffen zorgde voor een veel betere elektrische en chemische stabiliteit van deze halfgeleiders. De MOS-FET’s  van Hitachi van de types 2SJ50 en 2SK135 zijn bij heel veel bouwers van versterkers (zowel zelfbouwers als professionals zoals het Nieuw-Zeelandse Perreaux) bekend en geliefd om hun uitstekende specificaties. Ze worden inmiddels niet meer gemaakt, maar er zijn ook goede vervangers voor gekomen.

Nog weer andere halfgeleiders

In het bovenstaande heb ik in het kort iets willen uitleggen over de halfgeleiders die we grotendeels in hifi-apparatuur kunnen tegenkomen, maar er is natuurlijk nog veel meer. In lichtdimmers en boormachines met zo´n traploos regelbaar toerental zitten triac´s en in de infrarood- en lichttechniek zitten weer heel andere halfgeleiders, namelijk LED´s oftewel Light Emitting Diodes.

Inmiddels is de techniek van deze LED´s zo ver gevorderd dat we onze auto´s van achterlichten met LED´s kunnen voorzien en dat er in de nieuwste verkeerslichten ook van deze LED´s als lichtbronnen zitten. Prima, want deze LED´s zijn zeer efficiënte lichtbronnen, met andere woorden, ze ontwikkelen maar heel weinig warmte, en ze zijn veel robuuster dan gloeilampen, ofwel, ze gaan niet vlug kapot onder invloed van trillingen. Allemaal gunstige ontwikkelingen in de halfgeleidertechniek die we in ons dagelijks leven tegenkomen.

Natuurlijk worden voor hifi toepassingen ook regelmatig nieuwe halfgeleiders ontwikkeld, met steeds betere eigenschappen, waardoor de apparatuur betrouwbaarder wordt, beter gaat klinken, versterkers meer vermogen kunnen leveren, maar ook waardoor apparatuur kleiner kan worden en meer functionaliteit in een apparaat gestopt kan worden.

Halfgeleiders; we kunnen inmiddels niet meer zonder.