Wat is een diëlektricum en welke eigenschappen hebben diëlektrica?

Diëlektricum is een benaming die kan worden gebruikt voor een materiaal of een stof met dusdanige elektrische eigenschappen dat de polarisatie een overheersende rol heeft ten opzichte van elektrische geleiding en magnetisatie. Materialen en stoffen die onder de verzamelnaam diëlektrica vallen zijn slechte geleiders van elektriciteit. Elektrische geleidbaarheid is een belangrijke eigenschap die interessant is voor de elektrotechniek. Er zijn echter verschillende stoffen en materialen die onder diëlektrica vallen.

Waarom geleiden diëlektrica geen stroom?
De elektronenconfiguratie van een diëlektricum zorgt er voor dat het nagenoeg onmogelijk is om elektrische geleiding te laten plaatsvinden door de stof of het materiaal. Een diëlektricum is daardoor het tegenovergestelde van een goede geleider zoals elektrolytisch koper dat wordt gebruikt voor elektrische bedrading.

Diëlektrica als elektrische isolator
Door de vrijwel uitgesloten geleiding van elektrische stroom door diëlektrica is het materiaal geschikt om als elektrische isolator te gebruiken. Er zijn verschillende soorten diëlektrica die in de techniek worden gebruikt als isolator. In bijvoorbeeld condensatoren gebruikt men lucht als diëlektrica maar kan men ook glas, mica, aluminiumoxide en tantaaloxide gebruiken als elektrische isolator.

Wat is doteren en hoe kan dit proces worden uitgevoerd?

In de techniek kunnen pure materialen worden gebruikt voor de fabricage van producten. Het kan echter voorkomen dat bepaalde materialen in pure vorm niet over de gewenste eigenschappen beschikken voor een specifiek product. De eigenschappen van de materialen kunnen worden verbetert op verschillende manieren. Één van deze manieren is doteren. Het woord ‘doteren’ is afgeleid van het Latijnse woord ‘dotare’, dit betekend voorzien.

Doteren is een proces waarbij onzuiverheden in basismateriaal worden geplaatst. In feite worden doormiddel van doteren vreemde atomen toegevoegd aan het kristalrooster van een basismateriaal.

Hoe gaat doteren in zijn werk?
Het doel van doteren is het veranderen en verbeteren van de materiaaleigenschappen. Vooral in de halfgeleidertechnologie wordt het woord doteren regelmatig gebruikt. Een halfgeleider heeft over het algemeen de structuur van een isolator. Aan deze structuur worden zeer specifieke onzuiverheden toegevoegd. Het kristallijne basismateriaal wordt tijdens het doteren voorzien van atomen van een ander materiaal. Er ontstaat doormiddel van doteren een overschot aan vrije elektronen in het materiaal of juist een te kort aan vrije elektronen. Hierdoor wordt materiaal geleidend in de vorm van elektronengeleiding en gatengeleiding en wordt het oorspronkelijk isolerende basismateriaal verandert in een halfgeleidend materiaal.

Methodes door doteren
Er zijn verschillende manieren om het doteren uit te voeren. De meest gangbare methodes voor doteren zijn ionenimplantatie en diffusie. Deze twee methodes worden hieronder kort toegelicht.

Doteren doormiddel van ionenimplantatie
Doteren doormiddel van ionenimplantatie gebeurd met een ionenbron onder vacuüm. Over het algemeen is de ionenbron een speciale variant van een deeltjesversneller. In deze ionenbron wordt gebruik gemaakt van een magneetveld. Door het magneetveld worden ionen met de juiste massa afgescheiden. Het elektrische veld zorgt er voor dat de ionen worden versneld. De ionen worden door het elektrische veld vervolgens richting het materiaal, dat gedoteerd moet worden, geschoten. Dit gebeurd met zeer grote snelheden van meer dan 300.000 kilometer per uur. De ionen kunnen op verschillende dieptes het basismateriaal binnendringen.

Deze indringdiepte is afhankelijk van de grootte van het ion en het materiaal dat ingeplant moet worden in het basismateriaal. De onderdelen van het proces dat verbonden is aan ionenimplantatie kunnen nauwkeurig op elkaar worden afgestemd. Het is mogelijk om de snelheid van de ionen te regelen en versnellerspanning af te stemmen op het materiaal. Hiermee kan de indringdiepte van de ionen goed worden geregeld. Dit zorgt er voor dat de halfgeleider, die tijdens dit proces wordt gemaakt, over de juiste eigenschappen beschikt.

Doteren doormiddel van diffusie
Diffusie kan ook worden gebruikt als methode voor het doteren. Dit proces wordt meestal in twee stappen uitgevoerd. De eerste stap is het aanbrengen van een laag met een hoge concentratie onzuiverheden op het basismateriaal. Dit aanbrengen wordt ook wel predepositie genoemd. Vervolgens wordt het geheel doormiddel van warmte behandelt. Bij een hoge temperatuur worden de onzuiverheden in het kristalrooster opgenomen. Dit is doteren doormiddel van diffusie.

Wat is een geleider volgens de elektriciteitsleer?

Geleiders zijn volgens de elektriciteitsleer materialen en voorwerpen die elektrische stroom geleiden. Een goede geleider vertoont weinig weerstand tegen de elektrische stroom die er doorheen wordt getransporteerd. Hoe minder weerstand een materiaal of voorwerp tegen elektrische stroom biedt hoe beter de geleider te gebruiken is in de elektrotechniek. Alle metalen zijn geleiders van elektrische stroom. Er zijn echter wel verschillen in de eigenschappen van metalen. Sommige metalen zijn betere geleiders dan ander metalen. Metalen met een zeer kleine soortelijke weerstand tegen elektrische stroom zijn zilver en koper. Dit komt omdat het enige valentie-elektron van deze metalen zich bijna geheel als een vrij gas beweegt door het kristalrooster van het scheikundig element.

Temperatuurcoëfficiënt
Het overgrote deel van de metalen heeft een positieve temperatuurcoëfficiënt. Dit houdt in dat de weerstand van het metaal tegen elektronen toeneemt als de temperatuur van het metaal stijgt. Deze weerstand neemt toe omdat de atomen in het kristalrooster meer gaan trillen als de temperatuur hoger wordt. Door deze trilling wordt de beweging van de elektronen in de kristalroosters verstoort. Hierdoor kunnen de elektronen zich steeds moeilijker door het kristalrooster verplaatsen naarmate de temperatuur van het metaal wordt verhoogd of hoger wordt.

Supergeleiders
Supergeleiders zijn stoffen of materialen die geen weerstand bieden tegen elektrische stroom. Bij sommige materialen verdwijnt de weerstand tegen elektrische stroom als het materiaal op een bepaalde lage temperatuur wordt gebracht. Men spreekt van supergeleiding wanneer men stroom op gang brengt in een gesloten kring die bestaat uit supergeleidend materiaal en deze stroom gehandhaafd blijft en zal blijven rondlopen zonder aangelegde elektrische spanning. De kringstroom wekt een magnetisch veld op. Met supergeleiders kan men een permanent magnetisch veld opwekken. Doordat deze magneten permanent magnetisch zijn, worden ze veel toegepast. Het grote nadeel van permanente mageneten die gemaakt worden uit supergeleiders is de koeling. De meeste materialen worden supergeleidend bij zeer lage temperaturen. Deze temperaturen zijn slechts enkele graden boven het absolute nulpunt. Het koelen van de supergeleidende magneten gebeurd met kostbare koelinstallaties die veel energie gebruiken. Voor het koelen wordt meestal gebruik gemaakt van  vloeibaar helium.

Halfgeleiders
Halfgeleiders zijn stoffen die op het gebied van elektrische geleiding in het midden staan tussen een geleider en een isolator. Als men de structuur van halfgeleiders bekijkt kan men de conclusie trekken dat het om een isolator gaat. Echter een halfgeleider kan gemakkelijk in een geleider worden verandert. Hierbij zijn de eigenschappen op elektrisch gebied goed te manipuleren. Om de elektrische eigenschappen van halfgeleiders te verbeteren kan men elementen of bestandsdelen toevoegen die over de gewenste eigenschappen beschikken.

Er zijn ook stoffen die halfgeleider worden genoemd omdat ze geen groot geleidingsvermogen hebben en het geleidingsvermogen in grote mate afhankelijk is van de temperatuur waarin de stoffen worden gebruikt of geplaatst. Doormiddel van een speciale bewerking, genaamd dotering kunnen de eigenschappen van deze halfgeleiders worden beïnvloed. Halfgeleiders kunnen worden gebruikt voor het maken van componenten.