Halbleiter-Elektronik Herausgegeben von W. Heywang und R. Muller Band 2

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1 Halbleiter-Elektronik Herausgegeben von W. Heywang und R. Muller Band 2

2 Rudolf Muller Bauelemente der Halbleiter-Elektronik Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1973

3 Dr. rer. nat. WALTER HEYWANG Abteilungsleiter in den Forschungslaboratorien der Siemens AG apl. Professor an der Technischen Universitat MGnchen Dr. techno RUDOLF MOLLER O. Professor, Vorstand des Institutes fur Technische Elektronik der Technischen Universitat MGnchen Mit 253 Abbildungen ISBN-13: e-isbn-13: : / Das Werk ist urheberrechtlich geschotzt. Die dadurch begrondeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ilhnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Bei Vervielfilltigungen for gewerbliche Zwecke ist gemilb 54 UrhG eine VergOtung an den Verlag zu zahlen, deren H6he mit dem Verlag zu vereinbaren ist. by Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg Library of Congress Catalog Card Number

4 Geleitwort zur Buchreihe "Halbleiter.Elektronik" Halbleiter-Bauelemente beherrschen heute einen groben Teil der Elektrotechnik. Dies aubert sich einerseits in der groben Vielfalt neuartiger Bauelemente und andererseits in Milliarden von jahrlich gefertigten Transistoren mit einer Zuwachsrate von ca. 20% pro Jahr. Ihre besonderen physikalischen und funktionellen Eigenschaften haben komplexe elektronische Systeme z.b. in der Datenverarbeitung und del' Nachrichtentechnik erm6glicht. Dieser Fortschritt konnte nur erreicht werden durch das Zusammenwirken physikalischer Grundlagenforschung und elektrotechnischer Entwicklung. Um mit dieser Vielfalt erfolgreich arbeiten zu k6nnen und auch zukiinftigen Anforderungen gewachsen zu sein, mue nicht nur der Entwickler von Bauelementen, sondern auch der Schaltungstechniker das breite Spektrum von physikalischen Grundlagenkenntnissen bis zu den durch die Anwendung geforderten Funktionscharakteristiken der Bauelemente beherrschen. Dieser engen Verkniipfung zwischen physikalischer Wirkungsweise und elektrotechnischer Zielsetzung soli die hier vorliegende Buchreihe "Halbleiter-Elektronik" Rechnung tragen. Sie beschreibt die Halbleiter Bauelemente (Dioden, Transistoren, Thyristoren usw.) in ihrer physikalischen Wirkungsweise, in ihrer Herstellung und in ihren elektrotechnischen Daten. Die ersten beiden Bande sind als Einfiihrung gedacht, wobei Band 1 die physikalischen Grundlagen der Halbleiter darbietet und die entsprechenden Begriffe definiert und erklart. Band 2 behandelt die heute technisch bedeutsamen Halbleiterbauelemente in einfachster Form. Erganzt werden diese beiden Bande durch die Bande 3 und 4, die einerseits eine vertiefte Beschreibung del' Banderstruktur und del' Transportphanomene in Halbleitern und andererseits eine Einfiihrung in die technologischen Grundverfahren zur Herstellung diesel' Halbleiter bieten. AIle diese Bande haben als Grundlage einsemestrige Grund- bzw. Erganzungsvorlesungen an del' TV Miinchen. 5

5 tjber diese Grundbande hinaus sind weitere Einzelbande vorgesehen die den technisch wichtigen Halbleiterbauelementen, wie z. B. Dioden, Bipolar- und Feldeffekttransistoren, Thyristoren oder Mikrowellengenel'atoren gewidmet sind. AIle diese von Spezialisten verfabten Bande sind so aufgebaut, dab sie bei. entsprechenden Vorkenntnissen auch einzeln verwendet werden k6nnen. Wir hoffen, mit diesem "Baukastenprinzip" der auch heute noch fortschreitenden Entwicklung am ehesten gerecht werden zu k6nnen und so den Lesern ein fur Studium und Berufsal'beit brauchbares Instrument in die Hand zu geben. Miinchen, im Juni 1973 Walter Heywang. Rudolf MUller 6

6 Vorwort 1m vorliegenden Band 2 der Buchreihe "Halbleiter-Elektronik" werden die Bauelemente Dioden, Transistoren, Thyristoren usw. beschrieben. Vorausgesetzt wird dabei die Kenntnis der wichtigsten Grundlagen der Halbleiterphysik, wie sie z. B. in Band 1 dieser Reihe gebracht worden sind. Wegen der groben Vielzahl der Bauelemente konnen bei dem hier gewahlten Buchumfang nur die wesentlichen Eigenschaften beschrieben werden (Effekte erster Ordnung); eine ausfuhrlichere Beschreibung ist den nachfolgenden Spezialbanden vorbehalten. In diesem Sinne dient das vorliegende Buch einem doppelten Zweck: Einmal soli es die Grundlagenkenntnisse vertiefen helfen, z.b. dadurch, dab die Transistoren als typisches Beispiel eines Halbleiterbauelementes beschrieben werden; nicht die technischen Details stehen im Vordergrund, sondern die Begriindung der jeweiligen Beschreibung, so dab der Leser in der Fahigkeit geiibt wird, spater neue Bauelemente leichter zu verstehen. Zum anderen soli durch die auf das Wesentliche beschrankte Beschreibung der technisch interessanten Bauelemente der Vberblick iiber diese Vielfalt erleichtert werden. Den Herren E. Lange, M. Bleicher, und K. Berchtold sei fur ihre Mitarbeit, insbesondere fur die Aufstellung der "Obungsbeispiele, gedankt. Dem Springer-Verlag mochte ich fiir die Betreuung und Sorgfalt bei der Drucklegung des Buches besonderen Dank aussprechen. Miinchen, im Juni 1973 Rudolf Muller 7

7 Inhaltsverzeichnis Physikalische GroJ3en 1 Dioden Kennlinie und Impedanz 1.2 Schaltverhalten Rauschen Ausfiihrungsformen von Gleichrichterdioden 1.5 pin-diode p+ sn+-leistungsgleichrichter. 1.7 Zener-Diode Riickwarts-Diode Tunneldiode Varaktordiode (Speicherdiode, MIS-Diode) Metall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Diode, Ohmscher Kontakt) Fotodiode und Solarzelle Lumineszenz- und Laserdiode 1.14 Impatt-Diode _ Gunn- und LSA-Diode tjbungen 2 Injektionstransistoren 2.1 Aufbau und Wirkungsweise 2.2 Emitter- und Kollektorstrom 2.3 Basisstrom 2.4 Grundschaltungen Kennlinienfelder Kleinsignal-Ersatzschaltbilder Einfaches Niederfrequenz-ErsatzschaIt.bild Ladungsspeicherung in der Basis Basisweitenmodulation Basiswiderstand Ersatzschaltbild fiir Emitterschaltung Ersatzschaltbilder fiir Basis- und Kollektmschaltnng Grenzfrequenzen Abhiingigkeit der Stromverstarkung vom Arbeitspunkt Vierpolparameter Vergleich der drei Grundschaltungsarten

8 2.7 GroBsignalverhalten Niederfrequenz-Ersatzschaltbild Arbeitsbereiche Schaltverhalten Grenzdaten Thermische Stabilitiit Rauschen Fototransistor 124 tnbungen Feldeffekttransistoren Einfiihrung Wirkungsweise des Sperrschicht-FET (JFET, junction FET) Ausfiihrungsformen des Sperrschicht-FET Wirkungsweise und Betriebsarten des MIS-FET MOS-FET-Verarmungsbetrieb MOS-FET-Anreicherungsbetrieb Symbole fiir MOS-FET Daten und Kennlinien von l\ws-fet Ausfiihrungsformen von MIS-FET Theorie der Ladungssteuerung Kleinsignalverhalten Grundschaltungsarten von Kleinsignalverstarkern Grenzfrequenz Rauschen Vergleich mit bipolaren Transistoren 152 tjbungen Thyristoren KennIinieniiste Ziindvorgang (Loschvorgang) Statische Eigenschaften des Hauptstromkreises Ziindstromkreis Dynamische Eigenschaften Ziindung durch raschen Lastspannungsanstieg; dufdt-verhalten Einschaltverhalten Ausschaltverhalten Freiwerdezeit Aufbau des Thyristors Triac (Zweiwegthyristor) Vergleich Transistor, Thyristor, Triac. 179 tjbungen Spezielle Halbleiter-Bauelemente Hall-Generator Feldplatte Fotowiderstand DehnungsmeBstreifen HeiBleiter (NTC-Widerstand) Kaltleiter (PTC-Widerstand) Thermoelektrischer Energiewandler Thermoelektrischer Kiihler

9 6 Anhang Rauschen Influenzstrom Laserprinzip Quasi-Fermi-Niveaus 213 Li tera turverzeichnis 215 Sachverzeichnis