Physik der Halbleiterbauelemente

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1 Frank Thuselt Physik der Halbleiterbauelemente Einführendes Lehrbuch für Ingenieure und Physiker Mit 181 Abbildungen 4y Springer

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 36 Zusammenfassung zu Kapitel 1 38 Aufgaben zu Kapitel 1 41

3 XII Inhaltsverzeichnis 2 Bänderstruktur und Ladungstransport Bändermodell Eigenschaftendes 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 Bandgap und effektiver Masse Halbleiter bei hohen Ladungsträgerdichten Trägerkonzentration im Leitungsband Gapschrumpfung Einige Ergänzungen Bandstruktur von Halbleitern Ein-undzweidimensionaleHalbleiter Der Teilchenzoo der Halbleiterphysik 707 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 135

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 152 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 Einiges über Halbleiterlaser Übersicht Grundsätzliches zur Funktionsweise Optischer Einschluss (Confmement) Besetzungsinversion und Gewinn Bilanzgleichungen für Elektronen und Photonen Absorptions-Bauelemente Physikalische Grundlagen der Absorption Photoleiter Photodioden und weitere Photodetektoren Materialien für optische Empfänger Solarzellen - Photovoltaik Tendenzen der Optoelektronik Lichtemittierende Bauelemente Photodetektoren Photovoltaik 207 Zusammenfassung zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Bipolartransistoren Einfaches Transistormodell Abschätzung der Verstärkungswirkung Definition verschiedener Verstärkungsfaktoren Diffusionsstrom in der Basis Größenordnung der Stromverstärkung 224

5 XIV Inhaltsverzeichnis 5.3 Ebers-Moll-Gleichungen Relativ einfache Herleitung Zusammenfassung der Herleitung 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 246 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 299 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 342 Zusammenfassung zu Kapitel Aufgaben zu Kapitel Literaturverzeichnis 351 Verzeichnis der Internet-Dateien 355 Verwendete Formelzeichen 361 Tabellenverzeichnis 369 Index 371 Personenindex 387