Halbleitergrundlagen

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1 Halbleitergrundlagen Energie W Leiter Halbleiter Isolator Leitungsband Verbotenes Band bzw. Bandlücke VB und LB überlappen sich oder LB nur teilweise mit Elektronen gefüllt Anzahl der Elektronen im LB abhängig von Energiezufuhr Breite des verbotenen Bandes: ca. 1eV VB: voll LB: leer Breite des verbotenen Bandes: > 8eV Valenzband Hinreichend Elektronen für Ladungstransport im LB vorhanden 0 K: LB leer 20 C: Bereits einige Elektronen im LB vorhanden keine Elektronen für Ladungstransport im LB vorhanden Bild 2.1: Bändermodell für Leitungs- und Valenzband Bilder zur Vorlesung 11

2 Halbleitergrundlagen p BOLTZMANN-MAXWELL-Verteilung (gültig für niedrige Elektronen-Konzentration) p FERMI-Verteilung (gültig für hohe Elektronen-Konzentration) 1 T 1 < T 2 < T 3 0 K = T 1 < T 2 < T 3 0,5 T 1 T 2 T 3 T 1 T 2 T 3 W W W W F W Bild 2.2: Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein eines Elektrons in einem Energieintervall W Bilder zur Vorlesung 12

3 Halbleitergrundlagen Kern Elektron Struktur des Siliziums Bilder zur Vorlesung 13

4 Halbleitergrundlagen W Leitungsband W F Valenzband 0 0,5 1 p Bild 2.3: Energieverteilung und Besetzungswahrscheinlichkeit für einen reinen Halbleiter bei Raumtemperatur Bilder zur Vorlesung 14

5 Halbleitergrundlagen Donator- Ionisationsenergie: E d 0,02 ev Leitungsband Leitungsband Energieniveau des fehlenden Elektrons Energieniveau des überschüssigen Elektrons Valenzband n-dotiert W F Valenzband p-dotiert Akzeptor- Ionisationsenergie: E a 0,02 ev Bild 2.4: Energieniveaus bei dotierten Halbleitern Bilder zur Vorlesung 15

6 Halbleitergrundlagen L A Geometrie eines Leiters Bilder zur Vorlesung 16

7 MOS-Kondensator U G Al SiO 2 Si p/n-dotiert Bild 3.1: Aufbau des MOS-Kondensators Bilder zur Vorlesung 17

8 MOS-Kondensator C Anreicherung C 0 Inversion Verarmung -U G (-U F ) U TH +U G Bild 3.2: Kapazität eines p-mos-kondensators Anreicherung Erhöhte Konzentration der Majoritätsladungsträger gegenüber dem Grundzustand Verarmung Verringerte Konzentration der Majoritätsladungsträger gegenüber dem Grundzustand Konzentration der Majoritätsladungsträger größer als die der Minoritätsladungsträger Inversion Konzentration der Minoritätsladungsträger höher als die der Majoritätsladungsträger Bilder zur Vorlesung 18

9 MOS-Transistor n-kanal-mos bzw. NMOS: p-kanal-mos bzw. PMOS: p-substrat, Ladungsträger: Elektronen n-substrat, Ladungsträger: Defektelektronen bzw. Löcher Source SiO 2 Al Gate Drain n+ n+ Si-Substrat p-dotiert Bild 3.3: Aufbau eines n-kanal MOS-Transistors Bilder zur Vorlesung 19

10 MOS-Transistor Selbstleitend (Verarmungstyp) Selbstsperrend (Anreicherungstyp) p-mos n-mos Ladungsträger: Löcher sperrt für positive U GS Ladungsträger: Elektronen sperrt für negative U GS G D S Ladungsträger: Löcher leitet für negative U GS Ladungsträger: Elektronen leitet für positive U GS G D S Tabelle 3.1: MOS-Transistor-Typen Bilder zur Vorlesung 20

11 MOS-Transistor Anreicherungstyp SiO 2 Al U >0V U =0V S U >0V G U >0V D n+ n+ U >0V G D Si-Substrat p - dotiert U =0V sub U =0V S Spannungen an einem MOS-Transistor - Anreicherungstyp Bilder zur Vorlesung 21

12 MOS-Transistor L W D Längen Weiten Verhältnis des Kanals (Z-Verhältnis) Gate Z = L W Source Oxid Kanal Drain mit L = Kanallänge W = Kanalweite Si p-dotiert Bild 3.4: Abmessungen des MOS-Transistors Bilder zur Vorlesung 22

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