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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 Bachelor- und Masterstudenten der Elektro- und Informationstechnik und der Technischen Physik, 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 zu lösen sind. Die Lösungsvorschläge dazu sowie eine komprimierte Daten- und Formelsammlung werden online bereitgestellt. Zusammenfassungen, ergänzende Kapitel über Trends und Tendenzen sowie Hinweise auf weiterführende Literatur runden den Text ab.

Die vorliegende dritte Auflage wurde dazu genutzt, eine Vielzahl von Korrekturen auszuführen und so das Verständnis zu verbessern.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Grundlagen der Mikrophysik

Um die Funktion eines elektronischen Bauelements richtig verstehen zu können, muss man die Eigenschaften des jeweils verwendeten Halbleitermaterials gut kennen.

Frank Thuselt

Kapitel 2. Bänderstruktur und Ladungstransport

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.

Frank Thuselt

Kapitel 3. pn-Übergänge

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 Widerstandsthermometer – 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.

Frank Thuselt

Kapitel 4. Optoelektronische Bauelemente

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.

Frank Thuselt

Kapitel 5. Bipolartransistoren und Thyristoren

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. Weiterhin lernen wir die unterschiedlichen Kennlinienfelder eines Transistors kennen.

Frank Thuselt

Kapitel 6. Metall-Halbleiter-Kontakte und Feldeffekt-Transistoren

Metall-Halbleiter-Kontakte sind in vielfacher Hinsicht wichtig: Sie stellen die Stromzuführung zu Bauelementen sicher − dann müssen es rein OHM-sche 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 eingesetzt, und sie stellen die überwiegende Zahl der Bauelemente in integrierten Schaltungen.

Frank Thuselt

Kapitel 7. Halbleitertechnologie

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 klar werden, dass homogene Dotierungen nur schwer zu erzielen sind und statt dessen in der Regel Dotierungsgradienten erzielt werden.

Frank Thuselt

Kapitel 8. Anhang: Daten- und Formelsammlung

Physikalische Konstanten und Umrechnungen Erläuterung: Die hier aufgeführten Größen sind auch in der MATLABDatei konstanten.m auf den Webseiten enthalten. Dort sind die Werte mit so vielen Stellen angegeben, wie sie gegenwärtig von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt publiziert werden. Beim praktischen Rechnen, zum Beispiel mit dem Taschenrechner, sind allerdings etwa vier gültige Stellen wie oben vollkommen ausreichend.

Frank Thuselt

Backmatter

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