Atom-, Molekül- und Festkörperphysik

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1 Atom-, Molekül- und Festkörperphysik für LAK, SS 2013 Peter Puschnig basierend auf Unterlagen von Prof. Ulrich Hohenester 10. Vorlesung, Halbleiter, Halbleiter-Bauelemente Diode, Solarzelle, FET, Chipherstellung

2 Silizium

3 Silizium Wafer

4 Aufbrechen einer Elektronenbindung Molekülbild Wenn man eine Elektronenbindung aufbricht (z.b. durch Absorption von Licht), so erzeugt man ein Elektron Loch Paar. Das Loch beschreibt die Eigenschaften des fehlenden Elektrons.

5 Aufbrechen einer Elektronenbindung Bandbild Energieband Leitungsband Bandlücke EFermi Valenzband Bandlücke ~ 1 4 ev, thermische Energie ~ 25 mev Bandlücke kann i.a. nicht thermisch übersprungen werden!

6 Dotierung Durch Einfügen von Fremdatomen ( Dotieren ) können zusätzliche Elektronen im Leitungsband bereitgestellt werden (n Dotierung) oder Elektronen aus dem Valenzband entfernt werden (p Dotierung).

7 n - Dotierung Bandbild sehr niedrige Temperatur Energieband Leitungsband EFermi Bandlücke Valenzband Durch n Dotieren werden zusätzliche Zustände in der Bandlücke geschaffen. Da die Dotieratome nicht regelmäßig angeordnet sind, kann man ihnen keinen Wellenzahlvektor zuordnen.

8 n - Dotierung Bandbild endliche Temperatur Energieband Leitungsband EFermi Bandlücke Valenzband Durch n Dotieren werden zusätzliche Zustände in der Bandlücke geschaffen. Bei endlicher Temperatur können die Dotieratome ionisiert werden und die Elektronen gelangen ins Leitungsband, wo sie zur Stromleitung zur Verfügung stehen.

9 p - Dotierung Bandbild sehr niedrige Temperatur Energieband Leitungsband Bandlücke EFermi Valenzband Durch p Dotieren werden zusätzliche Zustände in der Bandlücke geschaffen. Die Zustände liegen in der Nähe der Valenzbandkante und können zusätzliche Elektronen aufnehmen.

10 p - Dotierung Bandbild endliche Temperatur Energieband Leitungsband Bandlücke EFermi Valenzband Durch p Dotieren werden zusätzliche Zustände in der Bandlücke geschaffen. Bei endlicher Temperatur können Elektronen aus dem Valenzband in die Dotierzustände angeregt werden, es entstehen freie Zustände ( Löcher ) im Valenzband.

11 Elektronen- und Löchertransport n Dotierung: Die zusätzlichen Elektronen sind für den Ladungsträgertransport verantwortlich. p Dotierung: Die fehlenden Elektronen sind für den Ladunsgsträgertransport verantwortlich. Meist betrachtet man nicht alle Elektronen im Valenzband sondern nur die fehlenden Elektronen. Diese können durch eine neue Teilchensorte, die sogenannten Löcher, beschrieben werden. Löcher besitzen eine positive Ladung.

12 Dichte- und Temperaturabhängigkeit Widerstand Dichte: Je mehr Elektronen oder Löcher, desto besser kann der Strom transportiert werden. Temperatur: Je mehr Störstellen (Donatoren bei n Dotierung bzw. Akzeptoren bei p Dotierung) ionisiert wurden, desto besser kann der Strom transportiert werden.

13 p-n Grenzschicht: Diode p - Dotierung n - Dotierung EFermi Die beiden Halbleiter müssen so aneinander gefügt werden, dass die Fermienergie übereinstimmt.

14 p-n Grenzschicht: Diode Elektronen fließen so lange von n nach p, bis das dadurch erzeugte Feld einen weiteren Fluß unterbindet p - Dotierung n - Dotierung EFermi - -- Die beiden Halbleiter müssen so aneinander gefügt werden, dass die Fermienergie übereinstimmt.

15 p-n Grenzschicht: Diode Dasselbe nochmals im Bild lokalisierter Bindungen: (a) (b) Die beiden unterschiedlich dotierten Halbleiter werden aneinander gefügt. Elektronen fließen von N nach P (bzw. Löcher von P nach N) und die Ladungen werden so lange getrennt, bis das entstehende innere Feld eine weitere Ladungstrennung verhindert.

16 p-n Grenzschicht: Diode als Gleichrichter (a) (b) Spannung in Vorwärtsrichtung: Elektronen haben freie Zustände im P-Bereich und Löcher im N-Bereich es fließt Strom Spannung in Rückwärtsrichtung: Elektronen und Löcher werden weiter getrennt es fließt kein Strom

17 Halbleiter als Lichtemitter Direkter Halbleiter z.b. GaAs Indirekter Halbleiter z.b. Si, Ge Licht überträgt an Festkörper Impuls: Da Lichtwellenlänge (~ µm) viel größer als Gitterkonstante (~ nm) ist, ist der Wellenzahlvektor von Licht sehr klein im Vergleich zu dem Festkörper Wellenzahlvektor die Übergänge erfolgen senkrecht

18 Light Emitting Dioide (LED) LED: Elektronen und Löcher werden nach Anlegen einer Spannung in die Grenzschicht der Diode transportiert, wo sie strahlend rekombinieren.

19 Light Emitting Dioide (LED) Es gibt eine Vielzahl von Halbleitermaterialien, mit denen man unterschiedliche Farben erzeugen kann.

20 Solarzelle Solarzelle Diode in Sperrrichtung. Ein einfallendes Lichtquant erzeugt innerhalb der Sperrzone ein Elektron-Lochpaar, das durch das interne elektrische Feld getrennt wird ein Strom beginnt zu fließen. Üblicherweise werden Solarzellen aus Silizium gemacht. Silizium hat zwar schlechte optische Eigenschaften (indirekter Halbleiter), dafür ist es extrem billig.

21 Organische Solarzelle Organische Solarzellen sind deutlich billiger und flexibler einsetzbar. Allerdings ist der Wirkungsgrad noch deutlich geringer und die Zelle besitzt eine geringe Lebensdauer.

22 Field effect transistor (FET) Quelle (Source) und Senke (Drain) sind durch ein Gatter (Gate) voneinander getrennt. Durch Variation der Gate-Spannung kann der Strom durch das Bauelement reguliert werden.

23 Vom Quarzsand bis zum Computerchip...

24 Arbeiten im Reinraum

25 Photolitographie

26 Prozesse Photolitographie Dotierung

27 Miniaturisierung

28 Kontakte und Verbindungen

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