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2005 | Buch

Physik der Halbleiterbauelemente

Einführendes Lehrbuch für Ingenieure und Physiker

verfasst von: Frank Thuselt

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : Springer-Lehrbuch

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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch stellt eine Einführung in die Physik der Halbleiterbauelemente dar, wobei die Betonung auf den physikalischen Grundprinzipien liegt. Es wendet sich insbesondere an Studenten der Elektro- und Informationstechnik und der Technischen Physik an Fachhochschulen, aber auch an angehende Physiker, die sich mit den Anwendungen der Halbleiterphysik vertraut machen wollen. Die grundlegenden Sachverhalte und Gleichungen werden mit ausführlichen Herleitungen präsentiert. Jedes Kapitel enthält durchgerechnete Beispiele und Aufgaben, die zum Teil unter Verwendung von MATLAB oder ähnlichen Programmen (teilweise auch auf Palmtops) zu lösen sind. Lösungsvorschläge und ebenso eine komprimierte Daten- und Formelsammlung werden im Internet angeboten. Zusammenfassungen, ergänzende Kapitel über Trends und Tendenzen sowie Hinweise auf weiterführende Literatur runden den Text ab.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Grundlagen der Mikrophysik
Zusammenfassung
Um die Funktion eines elektronischen Bauelements richtig verstehen zu können, muss man die Eigenschaften des jeweils verwendeten Halbleitermaterials gut kennen.
Halbleiterkristalle sind aus Atomen aufgebaut. Aus der Kenntnis dieses Aufbaus lassen sich fast alle ihre Eigenschaften ableiten. Wir wollen uns hier zunächst mit dem Aufbau einzelner Atome beschäftigen; das einfachste unter ihnen ist das Wasserstoffatom. Eigentlich benötigt man dazu Kenntnisse aus der Quantenmechanik, einer ziemlich anspruchsvollen physikalischen Disziplin. Einige ihrer Resultate werden wir, so weit es erforderlich ist, kurz nennen, um daraus Erkenntnisse über den Aufbau der Atome und des Periodensystems der chemischen Elemente abzuleiten. Wir werden sehen, welche Elemente und welche Verbindungen als Halbleitermaterialien in Frage kommen und einiges über die chemische Bindung und die Kristallstruktur in Halbleitern lernen.
Weiterhin lernen wir die beiden in Halbleitern gebräuchlichen Betrachtungsweisen kennen: das Bindungsmodell und das für die Erklärung der elektronischen Eigenschaften besonders wichtige Energiebändermodell.
2. Bänderstruktur und Ladungstransport
Zusammenfassung
Wir präzisieren unsere Vorstellung von einem Halbleiter und leiten daraus ab, wie viele Ladungsträger in den jeweiligen Bändern für die elektrische Leitung zur Verfügung stehen. Wir werden sehen, dass ein Halbleiter ein interessantes Gebilde ist, in dem wir es nicht mehr mit gewöhnlichen Elektronen, sondern mit ziemlich stark modifizierten „Quasiteilchen“ zu tun haben: den Halbleiterelektronen und Löchern. Diese Teilchen bewegen sich im ungestörten Halbleiter so unbekümmert wie „normale“ Elektronen im freien Raum.
Für die meisten Anwendungen werden nicht reine Halbleiter benötigt, sondern solche, die (gezielt eingebrachte!) Störstellen enthalten. Überraschenderweise kann man die Lage von Störstellen im Halbleiter wie die Energieniveaus des Wasserstoffatoms behandeln. Störstellen bringen die entscheidenden Ladungsträger für die Leitfähigkeit und bestimmen deren Temperaturabhängigkeit. Die Temperaturabhängigkeit von Halbleitern wird in der Messtechnik ausgenutzt.
Schließlich berechnen wir die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern. Wir werden sehen, dass es außer dem elektrischen Feld noch eine weitere Ursache für Ströme gibt, nämlich Unterschiede der Teilchendichte. Sie führen zum sogenannten Diffusionsstrom. Die Bilanz des elektrischen Stroms wird somit bestimmt durch den Feldstrom, den Diffusionsstrom und darüber hinaus durch die Erzeugung (Generation) und Vernichtung (Rekombination) von Ladungsträgern.
3. pn-Übergänge
Zusammenfassung
Nachdem wir uns ausführlich mit dem homogenen Halbleiter befasst haben, können wir jetzt zur Untersuchung von Halbleiterstrukturen übergehen. Fast alle Bauelemente — Ausnahmen waren die bereits besprochenen Halbleiterwiderstände — bestehen aus Bereichen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Dabei kann es sich sowohl um Heterostrukturen handeln, also um vollkommen unterschiedliche Grundmaterialien, als auch um Homostrukturen, also um lediglich verschieden dotierte Komponenten ein- und desselben Grundmaterials. Wir werden uns hier vorwiegend mit Homostrukturen befassen.
Die einfachste Struktur ist der pn-Übergang, der die Grundlage der meisten Halbleiterdioden bildet.
Wir behandeln zunächst, ausgehend von den grundlegenden Kenntnissen über Halbleitermaterialien aus dem letzten Kapitel, den prinzipiellen Aufbau von pn-Übergängen und führen diese Überlegungen dann weiter, indem wir äußere Spannungen anlegen. Dabei gelingt es uns, ein Modell einer Halbleiterdiode abzuleiten, das die Kennlinien realer Bauelemente gut wiedergibt.
4. Optoelektronische Bauelemente
Zusammenfassung
Optoelektronische Anwendungen von Halbleitern stellen neben den rein elektrischen Anwendungen einen wichtigen Schwerpunkt der Halbleiterelektronik dar. In Lumineszenzdioden werden die lichtemittierenden Eigenschaften von pn-Übergängen für optische Anzeigeelemente ausgenutzt. Für die effiziente Datenübertragung sind leistungsfähige Halbleiterlaser in Verbindung mit Lichtwellenleitern unverzichtbar, dort benötigt man auf der anderen Seite auch empfindliche Halbleiter-Photodetektoren als Nachweiselemente. Laserdioden finden aber auch in vielen anderen technischen Systemen, wie beispielsweise als Abtastsysteme in CD-Playern, Verwendung. Die Anwendung von optoelektronischen Halbleiterbauelementen reicht bis zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie in der Solarzelle.
5. Bipolartransistoren
Zusammenfassung
Nachdem wir inzwischen die Arbeitsweise einer Halbleiterdiode verstanden haben, können wir uns jetzt dem Bipolartransistor widmen. Ein Bipolartransistor ist ein Bauelement, das Ströme verstärken kann. Wir beginnen mit einem einfachen Transistormodell, mit dem wir die prinzipielle Arbeitsweise erklären und verstehen können und gehen danach zu einer detaillierteren Beschreibung über. Ergebnis der Überlegungen sind die in der Schaltungstechnik bekannten Ebers-Moll-Gleichungen. Weiterhin lernen wir die unterschiedlichen Kennlinienfelder eines Transistors kennen.
6. Metall-Halbleiter-Kontakte und Feldeffekt-Transistoren
Zusammenfassung
Metall-Halbleiter-Kontakte sind in vielfacher Hinsicht wichtig: Sie stellen die Stromzuführung zu Bauelementen sicher — dann müssen es rein Ohmsche Kontakte sein. Weiterhin bilden sie die Basis gleichrichtender Bauelemente, der Schottky-Dioden. Die wichtigste Anwendung finden sie jedoch in den Feldeffekt-Transistoren, die heute die am weitesten verbreiteten steuernden Bauelemente sind. Feldeffekt-Transistoren werden als diskrete Bauelemente vor allem in der Leistungselektronik und insbesondere in integrierten Schaltungen eingesetzt, und sie stellen die überwiegende Zahl der Bauelemente in integrierten Schaltungen.
7. Halbleitertechnologie
Zusammenfassung
Nachdem wir jetzt die physikalischen Prinzipien kennengelernt haben, die Halbleiterbauelementen zu Grunde liegen, ist es an der Zeit, dass wir uns auch mit den Herstellungsprozessen vertraut machen. Die möglichen Technologien setzen einen Rahmen für das, was aus Halbleitern machbar ist. Hierbei wird auch deutlich, dass die in den vorigen Kapiteln benutzten Modelle nützlich, aber nicht immer realistisch sind. So wird bei der Darstellung der Dotiertechnologien deutlich werden, dass homogene Dotierungen nur schwer zu erzielen sind und statt dessen in der Regel Dotierungsgradienten erzielt werden.
Wir lernen als erstes die Herstellungsschritte zur Gewinnung von Rohsilizium und Silizium-Einkristallen kennen und beschäftigen uns danach mit den Prozessen, die zur Produktion von Bauelementen nötig sind.
Backmatter
Metadaten
Titel
Physik der Halbleiterbauelemente
verfasst von
Frank Thuselt
Copyright-Jahr
2005
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-540-26727-0
Print ISBN
978-3-540-22316-0
DOI
https://doi.org/10.1007/b138004

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