Physik der Halbleiterbauelemente

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1 Physik der Halbleiterbauelemente Einführendes Lehrbuch für Ingenieure und Physiker Bearbeitet von Frank Thuselt 1. Auflage Buch. xv, 407 S. Hardcover ISBN Format (B x L): 15,5 x 23,5 cm Gewicht: 795 g Weitere Fachgebiete > Physik, Astronomie > Elektrodynakmik, Optik > Halbleiter- und Supraleiterphysik schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 Inhaltsverzeichnis Kursiv gekennzeichnete Abschnitte können beim ersten Durcharbeiten überschlagen werden. 1 Grundlagen der Mikrophysik Aussagen der Quantenmechanik Photonen als Teilchen Emission und Absorption von Licht Elektronen als Wellen Heisenbergsche Unschärferelation Pauli-Prinzip Das Bohrsche Atommodell Freie Elektronen Wie entstehen freie Elektronen? Zur Energieeinheit Elektronenvolt Zusammenhang Energie Impuls/Wellenzahl Aufbau der Atome und Periodensystem Kristallstrukturen und Geometrie Bravais-Gitter und Elementarzellen Atomabstände und Packungsdichten Kristallrichtungen und Millersche Indizes Massen und Dichten von Halbleitersubstanzen Chemische Bindung Übersicht über die Bindungsarten Verbreiterung der Energieniveaus zu Bändern Halbleiter Orientierung an der elektrischen Leitfähigkeit Bindungen und Bänder in Halbleitern Halbleitermaterialien Einige Ergänzungen Zusammenfassung zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel xi

3 xii Inhaltsverzeichnis 2 Bänderstruktur und Ladungstransport Bändermodell Eigenschaften des Leitungs- und Valenzbandes Erzeugung freier Elektronen und Löcher Trägerdichte im Leitungs- und Valenzband Zustandsdichte der Elektronen und Löcher Fermi-Verteilung Teilchenkonzentration in den Bändern Bestimmung der Fermi-Energie Halbleiter mit Störstellen Donatoren und Akzeptoren Bindungsenergie von Ladungsträgern an Störstellen Ladungsträgerkonzentration bei Anwesenheit von Störstellen Die Bewegung von Ladungsträgern Drift Anwendung: Widerstandsthermometer Hall-Effekt Diffusion Einstein-Beziehung Generation und Rekombination Kontinuitätsgleichungen Halbleiter im stationären Nichtgleichgewicht Temperaturabhängigkeit von Energielücke und effektiver Masse Halbleiter bei hohen Ladungsträgerdichten Trägerkonzentration im Leitungsband Gapschrumpfung Einige Ergänzungen Bandstruktur von Halbleitern Ein- und zweidimensionale Halbleiter Der Teilchenzoo der Halbleiterphysik Zusammenfassung zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel pn-übergänge Modell einer Halbleiterdiode pn-übergang ohne äußere Spannung Qualitative Betrachtungen Berechnung des Potentialverlaufs Breite der Sperrschicht Diffusionsspannung pn-übergang mit äußerer Spannung Modell Breite der Sperrschicht Berechnung der Ströme...133

4 Inhaltsverzeichnis xiii Strom-Spannungs-Kennlinie Lawinen- und Zener-Effekt Kapazität eines pn-übergangs Sperrschichtkapazität Diffusionskapazität Differentieller Widerstand und Leitwert Esaki- oder Tunneldiode Einige Ergänzungen zu pn-übergängen Zusammenfassung zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Optoelektronische Bauelemente Lumineszenz-Bauelemente Lichtemission an pn-übergängen Lumineszenzmaterialien Spektralabhängigkeit der Lumineszenz bei Band-Band-Übergängen Aufbau und Technologie von Lumineszenzdioden Entwicklungstendenzen bei Lumineszenzdioden Einiges über Halbleiterlaser Übersicht Grundsätzliches zur Funktionsweise Optischer Einschluss (Confinement) Besetzungsinversion und Gewinn Bilanzgleichungen für Elektronen und Photonen Absorptions-Bauelemente Physikalische Grundlagen der Absorption Photoleiter Photodioden und weitere Photodetektoren Materialien für optische Empfänger Entwicklungstendenzen bei Photodetektoren Solarzellen Photovoltaik Zusammenfassung zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Bipolartransistoren und Thyristoren Einfaches Transistormodell Abschätzung der Verstärkungswirkung Definition verschiedener Verstärkungsfaktoren Diffusionsstrom in der Basis Größenordnung der Stromverstärkung Ebers-Moll-Gleichungen Relativ einfache Herleitung Zusammenfassung der Herleitung

5 xiv Inhaltsverzeichnis Allgemeine Form der Ebers-Moll-Gleichungen Verschiedene Näherungen für die Ebers-Moll-Gleichungen Herleitung der Ebers-Moll-Gleichungen aus den Diffusionsgleichungen Ansätze für die Diffusionsströme Lösungen der Diffusionsgleichungen Kennlinienfelder Kennlinienfelder in Basisschaltung Kennlinienfelder in Emitterschaltung Early-Effekt Ergänzungen zu Bipolartransistoren. Tendenzen Thyristoren und Triacs Modell eines Thyristors. Thyristorkennlinie Gleichungen für den Vorwärtsstrom Triacs Zusammenfassung zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Metall-Halbleiter-Kontakte und Feldeffekt-Transistoren Metall-Halbleiter-Kontakte Schottky-Dioden Ohmsche Kontakte Einführung in Feldeffekttransistoren Die verschiedenen Typen von Feldeffekttransistoren Einfaches Modell Detailliertere Beschreibung des MOSFET Ladungszustände eines MOS-Kondensators Quantitative Betrachtung der Inversionsbedingung Ladungen, Kapazität und Sperrschichtbreite am MOS-Kondensator Verfeinerte Herleitung der Kennliniengleichung MOS-Kondensator mit Berücksichtigung der beweglichen Ladungsträger MOSFETs in der digitalen Schaltungstechnik Binäre Schaltungen MOSFET als Inverter MOSFET als Lastwiderstand MOSFET als Logikgatter CMOS-Inverter und CMOS-Logikgatter Bipolartransistoren in integrierten Schaltungen Speicherschaltkreise RAM-Speicher ROMs EPROMs und EEPROMs...294

6 Inhaltsverzeichnis xv 6.6 CCD-Bauelemente Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren Zur Zukunft der MOS-Technologie Zusammenfassung zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Halbleitertechnologie Vom Sand zum Chip: Fertigungsschritte im Überblick Herstellung von Silizium-Einkristallen Rohsilizium Trichlorsilan und Polysilizium Herstellung von Einkristallen Herstellung von Einkristallen anderer Halbleiter Germanium Besonderheiten bei der Herstellung von Verbindungshalbleitern Herstellung und Bearbeitung der Halbleiterscheiben Übersicht Oxidation Dotieren Epitaxieverfahren Metallisierung durch Aufdampfen und Sputtern Ätzen Reinigen Lithographie Reinraumtechnik Ein Beispiel für die Technik integrierter Schaltungen Tendenzen der Halbleitertechnologie Zusammenfassung zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Anhang: Daten- und Formelsammlung Literaturverzeichnis Verzeichnis der Internet-Dateien Verwendete Formelzeichen Index Personenindex