Elektronische Halbleiterbauelemente Von Prof. Dr.-Ing. habil. Reinhold Paul Technische Universität Hamburg-Harburg 3., durchgesehene Auflage Mit 277 Bildern und 30 Tafeln B. G. Teubner Stuttgart 1992
Inhaltsverzeichnis Vorwort A Allgemeine Grundlagen elektronischer Halbleiterbauelemente 11 1 Grundprinzipien und Eigenschaften elektronischer Halbleiterbauelemente 11 1.1 Ladungsträger in Festkörpern 12 1.1.1 Bindungsmodell. Eigen- und Störhalbleiter 15 1.1.2 Bändermodell und Bandstruktur 24 1.2 Ströme und Ladungen in Halbleitern 40 1.2.1 Trägertransport 40 1.2.2 Kontinuität der Trägerströme 48 1.2.3 Trägervernichtung und -erzeugung. 50 1.2.4 Ladungsträgertransportmechanismen an Grenzflächen 54 1.3 Raumladungen in Halbleitern. Poissonsche Gleichung 57 1.3.1 Poissonsche Gleichung 57 1.3.2 Raumladungsfall. Verarmungsnäherung. Raumladungsbegrenzter Stromfluß 58 1.3.3 Neutral-, Quasineutralfall 63 1.3.4 Örtliche und zeitliche Relaxation von Raumladungsstörungen 66 1.4 Grundgleichungen der inneren Elektronik von Halbleiterbauelementen 68 1.4.1 Quasiferminiveaus 68 1.4.2 Halbleitergrundgleichungen 71 1.4.3 Halbleiter mit räumlich veränderbarer Bandstruktur 72 1.5 Allgemeine elektrische Eigenschaften von Halbleiterbauelementen 75 1.5.1 Gleichstromverhalten 76 1.5.2 Kleinsignalverhalten 78 1.5.3 Impuls- und Schaltverhalten 82 1.5.4 Thermisches Verhalten 83 1.5.5 Rauschen 87 1.6 Bauelementebezeichnungen, Gehäuse 89 B Grenzflächengesteuerte Halbleiterbauelemente 94 2 Grenzflächengesteuerte Zweipolbauelemente: Halbleiterdioden 96 2.1 pn-öbergang. Universal- und Richtdioden 103
- 8-2.1.1 Wirkprinzip. Elektrische Eigenschaften 103 2.1.1.1 Kennlinie 107 2.1.1.2 Dynamische Eigenschaften 117 2.1.1.3 Diodenmodell für die Schaltungssimulation 120 2.1.1.4 Diodenausführungsformen 123 2.1.2 Universal-, Richtdioden 126 2.1.3 Schaltdioden 133 2.1.4 Z-Dioden 145 2.1.5 Kapazitätsdioden 152 2.1.6 Tunneldiode 158 2.1.7 Leistungsgleichrichter, pin-, psn-dioden 161 2.1.8 pin-diode als Mikrowellenbauelement 167 2.2 HeteroÜbergänge 170 2.2.1 Arten von HeteroÜbergängen 171 2.2.2 Stromfluß durch HeteroÜbergänge 175 2.2.3 Anwendungen von HeteroÜbergängen 181 2.3 Metall-Halbleiter-Obergang. Schottky-Diode 192 2.3.1 Kennlinie 193 2.3.2 Ohmacher Kontakt 205 2.4 Laufzeitgesteuerte Bauelemente. Impatt-Dioden 207 2.4.1 Laufzeitprinzip 207 2.4.2 Impatt-Diode 211 2.4.3 Tunnett-Diode 216 2.4.4 Baritt-Dioden 217 2.4.5 Qwitt-Diode 222 2.5 Weitere Diodenarten. Volumenbarrierendioden 223 3 Bipolartransistoren 226 3.1 Transistoreigenschaften 227 3.1.1 Kennlinien 228 3.1.2 Der Basisraum 235 3.1.3 Bipolartransistormodelle 254 3.1.4 Kleinsignalverhalten. Ersatzschaltung 272 3.1.5 Bau- und Ausführungsformen 283 3.1.6 Universaltransistoren kleiner Leistung 286 3.1.7 Mikrowellentransistoren 292 3.1.8 Schalttransistoren 296 3.2 Leistungstransistoren 306 3.2.1 Leistungstransistoren für tiefe Frequenzen 306 3.2.2 Hochfrequenz- und Mikrowellenleistungstransistoren. 323 3.2.3 Verbundtransistoren 326 3.3 Sonderformen von Bipolartransistoren 328 3.3.1 Hetero-Bipolartransistor 329 3.3.2 Unijunctiontransistor, Doppelbasisdiode 332
- 9-3.3.3 Permeable Base-Transistor 336 4 Thyristoren. Diacs, Triacs 337 4.1 Thyristor 340 4.1.1 Kennlinien. Eigenschaften- 340 4.1.2 Bauformen 350 4.1.3 Sonderformen von Thyristoren 351 4.2 Diac und Triac 363 4.2.1 Diac 363 4.2.2 Triac (Zweiwegthyristor) 365 4.3 Thyristoren und Triacs im Grundstromkreis 368 4.3.1 Beschaltungsmaßnahmen 368 4.3.2 Zündschaltungen 369 4.3.3 Abschalten des Thyristors 371 4.3.4 Anwendungen 373 4.3.5 Vergleich von Leistungshalbleiterbauelementen 375 5 Feldeffekttransistoren 377 5.1 Sperrschichtfeldeffekttransitor 380 5.1.1 Wirkprinzip. Kennliniengleichung 380 5.1.2 Kleinsignal- und Hochfrequenzverhalten 387 5.1.3 Transistormodelle 392 5.1.4 Bauformen 394 5.1.5 Leistungs-Sperrschichtfeldeffekttransistor 395 5.2 Schottky-Gate-Feldeffekttransistoren 398 5.3 Selektiv dotierte Heterofeldeffekttransistoren, HEMT 403 5.4 Anwendungen, Vergleich verschiedener Transistorarten 410 6 HIS-Feldeffektbauelemente 414 6.1 MOS-Kondensator 415 6.1.1 Wirkprinzip 415 6.1.2 MIS-Bauelemente 423 6.2 MOS-Feldeffekttransistor 426 6.2.1 Wirkprinzip. Aufbau 426 6.2.2 Statische Eigenschaften. Kennlinien 429 6.2.3 Kleinsignal-, Hochfrequenzverhalten. Ersatzschaltung 443 6.2.4 MOSFET-Modelle 448 6.2.5 Bau und Ausführungsformen 450 6.3 MOS-Leistungstransistoren 455 6.3.1 Ausführungsformen 455 6.3.2 Kennwerte und Eigenschaften 456 6.3.3 MOS-Verbundtransistoren 470
- 10-6.3.4 Vergleich von Leistungsbauelementen 476 6.4 Speicher-MOS-Feldeffekttransistoren 480 7 Ladungstransferelemente 486 7.1 Wirkprinzipien und Eigenschaften 487 7.1.1 Eimerkettenstruktur 487 7.1.2 Oberflächenladungstransferelemente 489 7.1.3 Volumenladungstransferelemente 493 7.2 Weitere Ladungstransferstrukturen 496 7.3 Anwendungen 499 C Bauelemente auf Basis von Volumeneffekten 499 8 Dielektrische Diode. MIM-(MSM-)Struktur 500 8.1 Volumenbegrenzte Vorgänge 502 8.1.1 EinträgerInjektion 502 8.1.2 Doppelinjektion 504 8.2 Kontaktbegrenzung 505 9 Transferelektronenbauelemente 506 9.1 Aufbau und Wirkprinzip 506 9.1.1 Elektronentransfermechanismus, Raumladungsinstabilitäten 507 9.1.2 Betriebsbereiche, Stabilität 510 9.1.3 Strom-Spannungs-Kennlinie des Gunnelementes 512 9.1.4 Kleinsignalverhalten 512 9.2 Großsignalverhalten 514 9.2.1 Dipoldomänen 515 9.2.2 Oszillatorbetrieb, weitere Domänenarten 516 9.2.3 LSA-Betrieb 517 9.3 Bauelemente und Anwendungen 518 9.3.1 Bauelemente, Bau- und Herstellungsformen 518 9.3.2 Anwendungen 519 Literaturverzeichnis 522 Anhang A, B 523 Sachwortverzeichnis 525