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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch wurde geschrieben, um Ihnen einen effizienten und verständlichen Einstieg in die Halbleiterphysik und die Anwendungen der Halbleiterelektronik zu ermöglichen. Es hilft Ihnen – auch wenn Sie vorher noch nichts über Quantenmechanik etc. gehört haben – sich das Grundwissen der Halbleiterphysik auf effiziente Weise anzueignen und zu lernen, was für einen Einsteiger in diesem Gebiet wirklich wichtig ist. Das Buch beschränkt sich daher nur auf die allernötigsten Grundlagen der elektronischen Eigenschaften von Volumenhalbleitern und deren Einsatz in Halbleiterbauelementen.

Frei nach dem Motto „man muss nicht alles wissen" geht der Textes bewusst nicht immer in die Tiefe, um dann an anderen Stellen – wenn es dem besseren Verständnis dient – detailliert auf Zusammenhänge einzugehen. Zahlreiche typische Übungsaufgaben sind mit vielen Details als Beispiele in den Text eingearbeitet und erleichtern Ihnen damit das Bestehen von Tutorien und Klausuren. Zusätzlich finden Sie im Text eingestreute „Hausaufgaben“, die es sich zu lösen lohnt, wenn Sie ein tieferes Verständnis der Materie suchen.

Die vorliegende zweite Auflage ist inhaltlich im Wesentlichen mit der ersten Auflage identisch, enthält aber zahlreiche Korrekturen und Verbesserungen, die von den aufmerksamen Leserinnen und Lesern der ersten Auflage eingebracht wurden. Details finden sich im Dank.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Quantenmechanik

Zusammenfassung
Halbleiterphysik ist ein bunt gemischter Cocktail aus allen möglichen Fachgebieten der Physik, wie Elektrostatik, Mechanik, Diffusion, statistischer Physik und Manches mehr. Die Hauptzutat des Cocktails ist aber die Quantenmechanik, die man z. B. schon dazu braucht, um zu verstehen, warum es im Halbleiter so etwas wie ein Leitungsband und Valenzband gibt. Da es ohne Quantenmechanik also nicht geht, werfen wir zuerst einen Blick in die Geschichte der Physik, damit wir wissen, wo der ganze Quantenkram überhaupt herkommt.
Jürgen Smoliner

Kapitel 2. Kristalle

Zusammenfassung
Diamonds are a girl’s best friend hat Marilyn Monroe vor langer Zeit einmal gesagt, aber die Zeiten haben sich geändert. Während damals in den 1950ern der männlichen Bevölkerung akuter Haarausfall drohte, wenn eine attraktive Dame wie die Marilyn das Wort Diamant in den Mund nahm (Abb. 2.1a), schaut das heute anders aus: Industriediamanten sind billig und von den ausgebuddelten nicht zu unterscheiden. Diamantschmuck ist also kein wirkliches Problem mehr.
Jürgen Smoliner

Kapitel 3. Das Konzept der effektiven Masse

Zusammenfassung
Beginnen wir mit einem Vergleich aus dem täglichen Leben: Sie gehen in den Biomarkt und kaufen \(2\,\mathrm {kg}\) klassische Kartoffeln. Dann fahren Sie mit dem Fahrrad nach Hause, gehen in Ihre Küche, legen die Kartoffeln auf die Waage und stellen zufrieden fest: \(m=2\,\mathrm {kg}\). Jetzt kommt die quantenmechanische Version dieses Einkaufs: Sie nehmen einen Golddraht (das ist der Biomarkt mit den Kartoffeln), löten diesen auf einen Halbleiter und schütten dann \(2\,\mathrm {kg}\) quantenmechanische Kartoffeln (Elektronen) per Stromfluss in den Halbleiter aus z. B. GaAs (der Halbleiter ist die Küche).
Jürgen Smoliner

Kapitel 4. Halbleiterstatistik und Dotierung

Zusammenfassung
In den bisherigen Betrachtungen haben wir immer angenommen, dass im ganzen Halbleiter immer nur ein einziges (!) freies Elektron existiert. Das ist kein Scherz, bisher gab es wirklich immer nur ein einziges Elektron in all unseren Betrachtungen, und wir haben trotzdem eine Menge gelernt. In einem richtigen Halbleiter kann man aber nur eher selten von so einer Situation ausgehen, und daher widmet sich dieses Kapitel den folgenden Fragen: Wie viele Energiezustände gibt es im Halbleiterkristall? Wie viele Elektronen sind dort überhaupt vorhanden?
Jürgen Smoliner

Kapitel 5. Der pn-Übergang und seine Freunde

Zusammenfassung
Ohne pn-Übergänge geht in der Elektronik gar nichts. Keine Dioden, keine Transistoren, keine regelbaren Kapazitäten, keine Solarzellen, keine Laser und, am allerschlimmsten, keine Mobiltelefone, keine Computer, keine freizeitorientierten Internetseiten und auch kein Counter-Strike und sonstige Ballerspiele (Hausaufgabe: Mailen Sie mir bitte, welches Computerspiel gerade besonders in ist, damit ich mein Buch up to date halten kann). Sich als Elektrotechniker oder Physiker etwas Halbwissen über den pn-Übergang anzueignen, ist also durchaus angebracht.
Jürgen Smoliner

Kapitel 6. Streuprozesse

Zusammenfassung
In unseren bisherigen Betrachtungen waren die Elektronen ziemlich einsam und gelangweilt unterwegs. Es gab entweder nur ein einsames Elektron im Kristall, oder wenn es mehrere gab, wollten die nichts miteinander zu tun haben, und mit ihrer Umwelt schon mal gar nichts. In der Realität ist das natürlich nicht so.
Jürgen Smoliner

Kapitel 7. Klassischer Elektronentransport

Zusammenfassung
Modellmäßig gesehen sind wir schon recht weit in diesem Buch. Wir haben einen Halbleiter, wir wissen wie viele Elektronen sich in welchen Bändern herumtreiben, und wir haben inzwischen gelernt, dass die Elektronen gelegentlich Raufereien in ihrer Umgebung anzetteln, sonst wo anecken und dadurch Streuprozesse erleiden. Nur um eines haben wir uns bisher nicht gekümmert, nämlich den Stromfluss und dessen physikalische Ursachen.
Jürgen Smoliner

Kapitel 8. Die Boltzmann-Gleichung

Zusammenfassung
Der Halbleiterhorror nähert sich dem Höhepunkt, und das ist die Boltzmann-Transportgleichung. Warum müssen wir uns das antun? Die Antwort ist einfach, schuld ist das Institut für Mikroelektronik. Dort kümmert man sich um die Simulation der Kennlinien von Halbleiterbauelementen, und dort geht ohne Boltzmann-Gleichung rein gar nichts.
Jürgen Smoliner

Kapitel 9. Optische Übergänge in Halbleitern

Zusammenfassung
Etwas weiter hinten im Text, im Abschnitt über die Diffusionsprozesse in Halbleitern (Kap. 10), hat man andauernd das Problem am Hals, dass Ladungsträgerpaare generiert werden oder diese rekombinieren. Sowohl die Generation als auch Rekombination von Ladungsträgern findet gerne auf optischem Wege statt, und deswegen müssen wir uns in diesem Kapitel ein wenig um optische Prozesse kümmern. Esoterisch ist das ganz und gar nicht, denn ohne optische Absorption gäbe es keine Solarzellen oder Photodetektoren und ohne optische Rekombination keine LEDs und natürlich auch keine Halbleiterlaser. Damit wäre unsere Welt ziemlich trostlos und finster, denn LED-Beleuchtung, Glasfaserkommunikation und das Internet gäbe es damit auch nicht.
Jürgen Smoliner

Kapitel 10. Diffusion & Co.

Zusammenfassung
Diffusion sollte jeder aus der Schule kennen. Das klassische Experiment ist der Tropfen Farbe im Wasserglas, der sich im Laufe der Zeit verteilt, mindestens \(10^6\) urheberrechtlich geschützte Bilder dazu finden sich überall im Internet. Diffusion ist wirklich sehr praktisch, denn dadurch muss man seine Suppe nicht unbedingt umrühren, nachdem man sie gesalzen hat, Hustensaft umrühren muss man auch nicht, wie man in Abb. 10.1 sieht, und auch Chilipulver verteilt sich tadellos von selbst und vor allem schnell im Essen.
Jürgen Smoliner

Kapitel 11. MOS Strukturen

Zusammenfassung
Das  wichtigste Bauelement der Elektronik überhaupt ist der MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor), der auf praktisch jeder integrierten Schaltung in großen Mengen vorkommt. Der MOSFET lebt von den Eigenschaften einer dünnen Elektronenschicht unter einer Gate-Elektrode, die gerne als zweidimensionales Elektronengas bezeichnet wird.
Jürgen Smoliner

Kapitel 12. Heterostrukturen

Zusammenfassung
Na gut, also was sind Heterostrukturen, und wozu braucht man die? Mit Hilfe von modernen Kristallzuchttechniken wie der Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE) oder der metallorganischen Gasphasenepitaxie (Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) ist es möglich, verschiedene Halbleitermaterialien in einkristalliner Form übereinander aufzuwachsen. Voraussetzung dafür ist es, dass die Materialien tunlichst eine ähnliche Gitterkonstante haben. Dies ist z. B. im System GaAs-AlGaAs der Fall, und es können problemlos Materialschichten mit beliebigen Mischungsverhältnissen übereinander hergestellt werden.
Jürgen Smoliner

Kapitel 13. Anhang

Zusammenfassung
In der Halbleiterei hat man öfters einige Differentialgleichungen (DGLs) am Hals, die dann für diese oder jene Anwendung gebraucht, oder manchmal auch missbraucht werden. Das Problem ist dann, dass der arme Elektrotechnikstudent und seine vielleicht zukünftige Freundin am Nachbartisch mangels Vorbildung im dritten Semester die Differentialgleichung weder verstehen, noch mit der speziellen Rechnung, die damit durchgezogen werden soll, irgendetwas anfangen können. Es kann also nicht schaden, sich einige dieser DGLs vorher, am besten gemeinsam mit der Kollegin vom Nachbartisch, mal in Ruhe anzuschauen.
Jürgen Smoliner

Backmatter

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