Halbleiter und Transistoren - Prinzip und Funktionsweise

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1 Halbleiter und Transistoren - Prinzip und Funktionsweise Reine Halbleitermaterialien, wie Silizium (Si) oder Germanium (Ge) sind bei Zimmertemperatur fast Isolatoren: bzw. bei sinkender Temperatur HL Isolator Metall supraleitend ρ ρ HL Cu = = 1, Ωcm Ωcm Vglb. verhalten sich sog. Verbindungshalbleiter, wie GaAs. Unter geeigneten Erstarrungsbedingungen bilden Halbleiter Kristalle. (Si bildet eine Tetraederstruktur) Kap. 1: Halbleiter und Transistoren Seite 1 / 7 V2.0 A. B. Gilg

2 Eigenleitung: Durch Schwingungen der Atome können sich Elektronen im Kristallgitter aus ihrer Bindung unter Bildung einer Lücke (Defektelektron, Loch) lösen und bewegen. Die Mindestenergie E g (Ionisierungsenergie, auch Bandabstand oder gap ) zur Erzeugung eines Elektron-/Lochpaares ist material- und temperaturabhängig: Si : GaAs : E g 1,1 ev E g 1,4 ev (1 ev = 1, J) Bei konst. Temperatur stellt sich ein Gleichgewicht von Rekombinations- und Generationsprozessen ein: Elektronendichte n = Löcherdichte p n = p = n i (i: eigenleitend, intrinsic) Si : n i 1,5 *10 10 cm -3 GaAs : n i 9,2 *10 6 cm -3 (Zum Vergleich: Atomdichte ca. 5 * cm -3 ) Kap. 1: Halbleiter und Transistoren Seite 2 / 7 V2.0 A. B. Gilg

3 Störstellenleitung: Ersetzt man nur eine geringe Zahl von Halbleiteratomen (1:1.000) durch Dotieratome (B, P, As,...) so steigt die Leitfähigkeit um einige Zehnerpotenzen. Die beweglichen Ladungsträger im Halbleiter (HL) sind - negativ geladene Elektronen und - positiv geladene Löcher. Die entsprechend dotierten Zonen (Gebiete) bezeichnet man als N-Gebiet bzw. n-leitend, falls sie elektronenleitend P-Gebiet bzw. p-leitend, falls sie löcherleitend sind. Elektrotechnisch relevante Bauelemente (BE) entstehen aus Kombinationen von P- und N- Gebieten, die aneinandergrenzen: Zwei aneinandergrenzende P- und N- Gebiete bilden in der Umgebung des PN-Übergangs eine praktisch ladungsträgerfreie Raumladungszone (RLZ), da die beweglichen Elektronen und Löcher in das P- bzw. N-Gebiet driften, bis die dadurch verursachte Potentialdifferenz einen Gleichgewichtszustand erzielt. Kap. 1: Halbleiter und Transistoren Seite 3 / 7 V2.0 A. B. Gilg

4 Durch eine äußere Spannung kann diese Raumladungszone beeinflusst werden. Ab (typischerweise) 0.7 V Spannung (Schwellspannung) verschwindet die Raumladungszone und das Bauelement wird gut leitend. Dieses Bauelement wird als Diode bezeichnet; die RLZ agiert als (parallel geschalteter) Kondensator. Kap. 1: Halbleiter und Transistoren Seite 4 / 7 V2.0 A. B. Gilg

5 Der Bipolartransistor npn-typ Bei einer Spannungsdifferenz U BE > 0.7 V ist die Potentialschwelle soweit vermindert, dass ein Elektronenstrom von E nach B fliessen kann. Ist die Basisweite klein (~0.1µm) so diffundieren fast alle Elektronen in den Kollektor C, wo sie noch beschleunigt werden. Nur wenige Elektronen rekombinieren im Basisgebiet. Ist der E-B- Übergang in Flussrichtung gepolt, so fliesst auch ein Löcherstrom von B nach E. Dieser Löcherstrom wird von aussen über I B nachgeführt. Er ist typischerweise deutlich kleiner als der Elektronenstrom (dotierungsabhängig). Damit ergibt sich das charakteristische Kennlinienfeld eines Bipolartransistors, bei dem ein kleiner Basisstrom I B einen grossen Kollektorstrom I C steuert. Kap. 1: Halbleiter und Transistoren Seite 5 / 7 V2.0 A. B. Gilg

6 Der MOS-Transistor n-kanal-mos-transistor (Metall-Oxid-Silizium) Im Unterschied zum Bipolartransistor wird die Steuerspannung über eine isolierte Gate-Elektrode über dem p-gebiet angelegt. Es fliesst kein Gate-Strom - der MOS-Transistor kann leistungslos gesteuert werden. Eine positive Spannung am Gate G zieht Elektronen an die Si-Oberfläche, die den Stromfluss zwischen Source S und Drain D ermöglichen. Andererseits drängt die Gate-Spannung die im p-gebiet vorhandenen Löcher (-Überschuss) von der Oberfläche weg. Damit ist der Stromkanal und die S-D-Gebiete von dem umgebenden Gebiet isoliert. Ein MOS-Transistor ist somit selbstisolierend und besonders platzsparend. Die Schwellspannung ist im Gegensatz zum Bipolartransistor (0.7 V) technologieabhängig (abhängig von Gate-Länge, -Weite,...) Kap. 1: Halbleiter und Transistoren Seite 6 / 7 V2.0 A. B. Gilg

7 Hier nicht behandelt: - Grundschaltungen - Herstellung integrierter Schaltungen - Layout-/Maskentechnik Vertiefende Literatur: R. Müller: Grundlagen der HL-Elektronik. (203 S.) Bauelemente der HL-Elektronik. (328 S.) (HL-Elektronik Bd. 1, 2) Springer Verlag 1995/1991 Halbleiter: technische Erläuterungen und Kenndaten. Siemens: Berlin, München 1990 Kap. 1: Halbleiter und Transistoren Seite 7 / 7 V2.0 A. B. Gilg