Werkstoffe und Bauelemente der Elektrotechnik H. Schaumburg Halbleiter

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1 Werkstoffe und Bauelemente der Elektrotechnik H. Schaumburg Halbleiter

2 Werkstoffe und Bauelemente der Elektrotechnik Herausgegeben von Prof. Dr. Hanno Schaumburg, Hamburg-Harburg Die Realisierung neuer Funktionen in der Elektrotechnik ist in der Regel verbunden mit dem Einsatz hochentwickelter elektronischer Bauelemente, deren Herstellung abhiingig ist von neuen Erkenntnissen auf dem Gebiet der Werkstoff- und Fertigungstechnologie. Darauf basiert das Grundkonzept dieser Buchreihe: die Darstellung der fur die Elektrotechnik bedeutsamen Werkstoffe und deren Anwendung auf neue Bauelementkonzepte. Die Buchreihe "Werkstoffe und Bauelemente der Elektrotechnik" ist in ihrem Umfang nicht eingeschriinkt: Sie ist offen fur neue Entwicklungen, die schnell eine technische und wirtschaftliche Bedeutung gewinnen konnen. Sie setzt sich zum Ziel, dem Leser - sowohl an den Universitiiten als auch in der Industrie - die neuesten Entwicklungen aufzuzeigen und ihn umfassend zu informieren. Gleichzeitig soli die Reihe aber auch die Funktion eines Nachschlagewerkes haben fur die Vielzahl der konventionelleren Techniken, die in der Praxis weitverbreitet sind und auch bleiben werden.

3 Halbleiter Von Dr. Hanno Schaumburg Professor an der Technischen Universitat Hamburg-Harburg Mit 683 Bildern und 29 Tabellen B. G. Teubner Stuttgart 1991

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Schaumbarx. Banno: Halbleiter 1 von Hanno Schaumburg. - Stuttgart : Teubner, 1991 (Werkstoffe und Bauelemente der Elektrotechnik ; 2) ISBN-13: e-isbn-13: DOl: / NE:GT Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschutzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulassig und strafbar. Das gilt besonders fur VervieHiiltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. B. G. Teubner Stuttgart 1991 Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1991 Satz und Bilder: Art 1YPe Kommunikation, Seevetal 2 Druck und Binden: Priizis-Druck GmbH, Karlsruhe Einband: P.P.K, 8-Konzepte, Thbea Koch, OstfildernlStuttgart

5 Vorwort Dem vorliegenden Band 2 der Reihe "Werkstoffe und Bauelemente der Elektrotechnik" mit dem Titel "Halbleiter" liegen zwei Zielsetzungen zugrunde: erstens werden die physikalischen Grundlagen fur die Funktionsweise von Bauelementen auf einer so breiten Basis erarbeitet, dab sie nicht nur auf die in diesem Band behandelten "Standard"-Bauelemente angewendet werden konnen, sondem auch auf eine Vielzahl weiterer spezialisierter Bauelemente (wie z.b. Sensoren), welche erst in spateren Banden dieser Reihe ausfuhrlich beschrieben werden. Die fur die Berechnung des Bauelementverhaltens unentbehrlichen Ausgangsgleichungen werden aus den Grundlagen der Festkorper - und Quantenphysik hergeleitet, sowie aus der Gibbschen Thermodynamik, deren Nutzen dem Leser des ersten Bandes dieser Reihe, "Werkstoffe", bereits bestens vertraut ist. Auch in diesem Band werden nur elementare Grundkenntnisse aus der Physik, Chemie und Mathematik vorausgesetzt, fortgeschrittene Zusammenhange werden in kurzer und teilweise vereinfachter Form eingefuhrt. Das Buch ist so aufgebaut, dab der weniger grundlageninteressierte Leser einige dieser - zwangslaufig theoretischer angelegten - Abschnitte iiberschlagen kann, da die Ergebnisse in einem spateren Kapitel zusarnmengefabt und leicht verstandlich wiederholt werden. Haufig wird der Leser aber feststellen, dab ein tiefergehendes Verstandnis dennoch das "feeling" fur das Bauelementverhalten erheblich verbessert und daher zu einem befriedigenderen Ergebnis fuhrt. zweitens wird eine anwendungsnahe und praxisbezogene EinfUhrung in Werkstoffeigenschaften der Halbleiter Germanium, Silizium und Galliumarsenid, den Autbau und die elektrische Funktion der am haufigsten angewendeten Halbleiterbauelemente, sowie deren Herstellungstechnologie gegeben. Das Schwergewicht liegt weniger in einer Zusammenstellung der hierfiir relevanten Formeln als in der Vermittlung eines tiefergehenden Verstiindnisses, das dann eine fundierte Anwendung der hergeleiteten Beziehungen ermoglicht. Als Hilfestellung fur den praktischen Einsatz werden typische Datenblatter industriell gefertigter Bauelemente zusarnmengestellt und erlautert. Da deren Veroffentlichung heute durchweg in englischer Sprache erfolgt, werden sie im Original iibemommen, wobei im Anhang E ein Verzeichnis der wichtigsten einschlagigen englischen FachausdrUcke zusarnmengestellt ist. Auch dieses ist eine Unterstiitzung fur den praktisch orientierten Leser. In diesem Band werden nicht behandelt speziellere Bauelemente der Mikrowellentechnik, der Optoelektronik und der Sensorik, dieses bleibt spateren Banden der Reihe vorbehalten. Ebenfalls werden keine Bauelemente beschrieben, die sich noch im Forschungsstadium befinden und in der Praxis bisher keine wesentliche Bedeutung erlangt

6 VI haben, auch wenn dieses flir einen spateren Zeitpunkt abzusehen ist. Der Band wendet sich vor allem an Studenten von Universitaten, Technischen Hochschulen und Fachhochschulen zur Einfuhrung in das heute aus der Anwendung nieht mehr wegzudenkende Gebiet der Halbleiterbauelemente, aber auch an den Forscher, Entwicklerund Praktiker in der Industrie, der mit den vorhandenen Bauelementen umgehen konnen mub. Fur eine tatkraftige Unterstutzung und Mitarbeit bin ieh dankbar den Fachkollegen des Bauelementbereiehs der Firma Philips in Hamburg, insbesondere den Herren D. Eckstein (Dioden und Transistoren), R. W. Stamer (Anwendungen von Dioden und Transistoren), E. Uden (Montagetechnik und Gehause),W. H. Beyer (Auswahl geeigneter Datenblatter) und L. Dahlwitz (Auswahl drucktechnischer und Bildunterlagen). Auch den Herren F. Losch und Dr. H.-L. Steinbach sei an dieser ~telle flir die Vorbereitung der Kooperation herzlich gedankt, weiterhin Herrn Dr. W. Suss, Karl Suss KG, Munchen, flir Informationen zum Thema Rontgenlithographie. Die grundlegenden Abschnitte wurden freundlicherweiser von den Herren Prof. Dr. W. Bauhofer (Technische Universitat Hamburg-Harburg) und Prof. Dr. W. Schroter (Universitat Gottingen) durchgesehen. Fur eine kritische Durchsicht des gesamten Inhalts und der Satztechnik sei an dieser Stelle Herrn Prof. Dr. K.H. Locherer (lnstitut flir Hochfrequenztechnik, Universitat Hannover) besonders herzlich gedankt. Der Inhalt dieses Buches ist uber viele Jahre Gegenstand einschlagiger Vorlesungen gewesen, den beteiligten Studenten danke ieh hiermit flir eine Vielzahl von Vorschlagen und angeregten Diskussionen, aber auch flir Kritik und Verbesserungsvorschlage zur didaktischen Aufbereitung dieses umfangreiehen Sachgebiets. Herr Dipl.-Phys. W. Daum hat das Manuskript zu diesem Buch mit vie I Sachverstand gelesen und wertvolle Anregungen gegeben, wofur ich ebenfalls sehr dankbar bin. Die Umsetzung des Manuskripts in eine drucktechnische Vorlage wurde von Herrn G. KrUmmel, Fa. Art Type Kommunikation, auf einem Apple Macintosh-System mit grobem Einsatz und viel Sachverstand durchgeflihrt. Hierfur und flir eine Vielzahl wertvoller und manchmal mit bewundernswerter Geduld vermittelter Ratschlage bei der Computerarbeit des Verfassers (bis hin zu einigen black outs) sei ihm herzlich gedankt. Herr Dr. J. Schlembach vom Verlag B. G. Teubner hat dieses Buch - wie auch die gesamte Buchreihe - mit grobem Einsatz und dem manchmal auch erforderlichen psychologischen Feingeflihl betreut und immer wieder Mut gemacht, dem Druckfehlerteufel die Stirn zu bieten, auch wenn sich dieser schon in die Betriebssoftware des Macintosh eingeschlichen hatte. Ihm sei an dieser Stelle ausdriicklich und mit dem Zeichen personlicher Sympathie gedankt. Hamburg, Juli 1991 H.S.

7 Inhalt Vorwort... v Inhalt... VII 1 Elektronengasl) 1.1 Eingeschlossene Elektronen Potentialkasten Born-von Karman Randbedingungen Zustandsdichten Besetzungsstatistik Fermienergie (chemisches Potential) Fermi-Dirac-Statistik Klassischer Grenzfall: Boltzmann-Statistik Eigenschaften von Boltzmanngasen Mittelwerte Unscharfen ) Die Ergebnisse der Abschnitte 1 und 2 werden im Abschnitt 4 zusammengefabt wiederholt. Bei einer schnellen Durchsicht konnen daher die ersten beiden Abschnitte zunachst iiberschlagen werden. * In den mit einem Stern (*) versehenen Abschnitten sind Werkstoffdaten der Halbleiter Germanium, Silizium und Galliumarsenid zusammengestellt.

8 VIII Inhaltsverzeichnis 2 Bandstruktur von Festkorpern 1) 2.1 Elektronen in KristaUgittern Freie Elektronen im Gitter Elektronen im periodischen Potential Elektronen und Locher in Energiebiindern * Bandstruktur der Halbleiterwerkstoffe Germanium, Silizium und Galliumarsenid * Effektive Massen: Elektronengas in Halbleitem * Locher * Quasifermienergien und intrinsische Halbleiter Halbleiterwerkstoffe Germanium, Silizium und Galliumarsenid * 3.1 Eigenschaften der reinen Werkstoffe * 3.2 Legierungen * Flache Storstellen * Tiefe Storstellen * Silizide * 3.3 Polykristalline und amorphe Werkstoffe Bandermodell von Halbleitern 1 ) 4.1 Kenngrofien des Biindermodells Besetzungsstatistik und Dotierung Ladungstransport Chemische Kraft * Stromdichtegleichung * Beweglichkeit * Lawinendurchbruch ) Die Ergebnisse der Abschnitte 1 und 2 werden im Abschnitt 4 zusammengefabt wiederholt. Bei einer schnellen Durchsicht konnen daher die ersten beiden Abschnitte zunachst iiberschlagen werden.

9 Inhaltsverzeichnis IX 5 * * * Halbleiterubergange 5.1 Thermisches Gleichgewicht an Halbleiteriibergangen Ubergange zwischen Halbleitern Zusammenhang zwischen Ladung und Bandverlauf Halbleiter-Homolibergange Halbleiter-Heterolibergange 2 ) Grenzflachenladungen 2 ) Ubergange zwischen Halbleitern und Nichthalbleitern MIS-Ubergange Schottky-Ubergange OberschuBladungstrager 6.1 Ausgleich unterschiedlicher Ladungstragerdichten Kontinuitatsgleichung Dielektrische Relaxationszeit Diffusion von Ladungstragem Elektron-Loch-Paare Elektronenlibergange im Festkorper Gleichgewicht von Elektronen und Lochem Shockley-Read-Hall-Statistik Kontinllitatsgleichung mit Generation und Rekombination von Ladungstragern 7 StromfluB uber Barrieren 7.1 Energiebarrieren bei Halbleiteriibergangen _._ ) In diesen Abschnitten werden Grundlagen behandelt, die in spateren Banden dieser Reihe Anwendungen finden. Bei einer schnellen Durchsicht konnen sie daher zunachst iiberschlagen werden. * In den mit einem Stern (*) versehenen Abschnitten sind Werkstoffdaten der Halbleiter Germanium, Silizium und Galliumarsenid zusammengestellt.

10 X Inhaltsverzeichnis 7.2 Stromtlu8modelle Diffusionsmodell Thermionische Emission StromfluB hinter der Barriere Vergleich der Stromtlu8modelle Halbleitertechnologie 8.1 Herstellung von Halbleiterscheiben * Kristallzucht * Epitaxie Die Planartechnologie * Uberblick * Isolierschichten * Metallschichten * Polysiliziumschichten * Dotierung * Lithographie * Atzen Bonden. Gehause und Normen Dioden 9.1 Energiebarrieren als Bauelemente Schottky-Dioden pn-dioden Elektrische Kenndaten Schaltdioden Zenerdioden pin-dioden Varaktor-Dioden

11 Inhaltsverzeichnis XI 9.4 MIS-Dioden Diodenanwendungen Transistoren 10.1 Steuerbare Energiebarrieren und gesiittigte Kennlinien Bipolare Transistoren Elektrische Kenndaten Hochfrequenztransistoren Schalttransistoren Leistungstransistoren Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren Elektrische Kenndaten MESFETs und HEMTs MOS-Feldeffekt-Transistoren Elektrische Kenndaten Leistungs-MOSFETs Transistoranwendungen Thyristoren 11.1 Elektrische Kenndaten RCTs, DIACs, TRIACs, GTOs Integrierte Schaltungen 12.1 Bipolare integrierte SchaItungen Integrierte MOS-Schaltungen * In den mit einem Stem (*) versehenen Abschnitten sind Werkstoffdaten der Halbleiter Germanium, Silizium und Galliumarsenid zusarnmengestellt

12 XII Inhaltsverzeichnis 13. Warme in Halbleiterbauelementen 13.1 Warmeentstehung und -ableitung Sicherer Arbeitsbereich (SOAR) Rauschen 14.1 Rauschquellen Einflu8 auf die Bauelementeigenschaften Literatur Anhang A. Dimensionen und Formelzeichen B. Naturkonstanten C. Teilchenbewegung und Teilchenstrom Cl: Ballistische Bewegung C2: Teilchenstromdichte C3: Kontinuitatsgleichung C4: Raurnladungsbegrenzter Strom D. Vierpolkoeffizienten E. Englische Fachausdriicke F. Gehausetypen von Halbleiterbauelementen Stichwortverzeichnis