Materialien der Elektronik und Energietechnik

Materialien der Elektronik und Energietechnik

Peter Wellmann Materialien der Elektronik und Energietechnik Halbleiter, Graphen, Funktionale Materialien

Peter Wellmann Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Deutschland ISBN 978-3-658-14005-2 DOI 10.1007/978-3-658-14006-9 ISBN 978-3-658-14006-9 (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National bibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2017 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikro verfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Lektorat: Dr. Daniel Fröhlich Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Straße 46, 65189 Wiesbaden, Germany

Für Nadine, die ich liebe

Vorwort Das Lehrbuch Materialien der Elektronik und Energietechnik ist als Begleitmaterial zur gleichnamigen Vorlesung des Autors an der Technischen Fakultät der Friedrich- Alexander Universität Erlangen-Nürnberg entstanden und baut auf dem Vorlesungsmaterial aus gut zehn Jahren auf. Angesprochen sind in erster Linie Bachelor- und Masterstudierende der Fächer Materialwissenschaft, Nanotechnologie, Energietechnik der technischen Fakultäten, sowie Physik, Materialphysik und Chemie der naturwissenschaftlichen Fakultäten. Das Lehrbuch deckt thematisch alle elektronischen Materialklassen ab. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf den Halbleitern und in der Aufnahme des neuen Materials Graphen. Funktionale Materialien schließen Metalle, Supraleiter, Dielektrika, Thermoelektrika und magnetische Werkstoffe ein. Eine Besonderheit stellen vier als Tafeln bezeichnete Kapitel dar, welche an der jeweils passenden Stelle ein vertieftes materialwissenschaftliches oder physikalisch-chemisches Grundlagenwissen vermitteln. Dazu zählen Ladungsträgerstatistik im Halbleiter (Fermi-Energie), Bandstruktur (direkte und indirekte Halbleiter), Solarzellen und Grundzüge der Si-Halbleitertechnologie. Die Tafeln bilden das Verbindungselement, welches Studierende der Ingenieurwissenschaften mit komplexen festkörperphysikalischen Phänomenen vertraut macht und andererseits Studierende der Naturwissenschaften in die ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen einführt. In der erweiterten Behandlung der Halbleiter und deren Anwendungen unterscheidet sich dieses Lehrbuch am meisten von anderen Lehrwerken über Werkstoffe der Elektrotechnik. Zum ergänzenden Studium werden von dem Autor beispielsweise folgende Titel empfohlen: Werkstoffe der Elektrotechnik (W. v. Münch, Teubner), Werkstoffe für die Elektrotechnik (G. Fasching, Springer), Einführung in die Werkstoffe der Elektrotechnik (H. Schaumburg) und aus dem naturwissenschaftlichen Bereich das Lehrbuch für Experimentalphysik, Band 6 Festkörper (Bergmann-Schäfer, Herausgeber W. Raith, Walter de Gruyter).

VIII Vorwort Streng genommen gehören sowohl die Halbleiter als auch Graphen zur Klasse der funktionalen Materialien. Die Halbleiter nehmen allerdings als zentrales Material in vielen Anwendungen eine Schlüsselrolle ein. Das Schalten von elektrischem Strom, das Umwandeln von elektrischem Strom in Licht und umgekehrt auch die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom werden größtenteils mit Halbleitern realisiert. In der von der Kommunikations- und Multimediatechnik geprägten Welt, welche sich so ganz selbstverständlich die Halbleiterelektronik zunutze macht, bleibt es oft verborgen, dass viele wichtige Meilensteine der Halbleitertechnologie in Deutschland entwickelt wurden und werden. Die Kapitel Der Halbleiter Silizium (Elektronik und Mikroelektronik) und Verbindungshalbleiter Optoelektronik beginnen deswegen mit einem kurzen historischen Abriss und zeigen gleichzeitig moderne Entwicklungen auf. Ziel des Autors ist es, ein Lern- und Lehrbuch zur Verfügung zu stellen, dass Studierende der technischen und naturwissenschaftlichen Fächer fundiert mit den Materialien der Elektronik und Energietechnik vertraut macht und gleichzeitig zum eigenen Weiterdenken und Forschen in diesem spannenden Fachgebiet anregt. Das Lehrbuch eignet sich als vorlesungsbegleitendes Vertiefungsmaterial und zum Eigenstudium. Nürnberg, im Oktober 2016 Peter J. Wellmann

Danksagung Einige Firmen und deren Mitarbeiter haben mit anschaulichem Bildmaterial zum Gelingen des Lehrbuches beigetragen. Dazu zählen die Siltronic AG (D-81737 München, Si- Einkristalle, Herr Dr. Alfred Miller), die PVA-TePla AG (D-35435 Wettenberg, Halbleiteranlagen- und Messtechnik, Herr Burkhard Spill), die Solarworld AG (D-09599 Freiberg, Silizium-Solarzellen, Herr Dr. Bernhard Freudenberg und Herr Albrecht Handke) und die Avancis GmbH (D-81739 München, Dünnschichtsolarzellen, Herr Dr. Robert Lechner). Elisabeth Henneberger hat durch die gestalterische Überarbeitung meiner Vorlesungsskripte, welche als Grundlage für das Lehrbuch gedient haben, tatkräftig mitgewirkt. Nadine Wellmann hat als technisch Interessierte das Manuskript unerschrocken korrekturgelesen und ihm sprachlich den letzten Schliff verliehen.

Inhaltsverzeichnis Vorwort... VII Danksagung... IX 1 Allgemeine Grundlagen der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik... 1 1.1 Aufbau der Materie... 1 1.2 Kristalldefekte... 8 1.3 Chemische Bindung... 13 1.4 Phasendiagramme... 16 1.5 Mechanische Eigenschaften... 21 1.6 Thermische Eigenschaften... 29 2 Leiter und Metalle... 35 2.1 Grundlagen der elektrischen Leitung... 35 2.1.1 Elektrische Leitfähigkeit... 35 2.1.2 Das Ohm sche Gesetz... 38 2.1.3 Kontaktspannung... 40 2.2 Metallische Leiter... 42 2.2.1 Metallische Leiter in Kabeln... 42 2.2.2 Metallische Leiter in elektrischen Kontakten... 44 2.2.3 Metallische Leiter in der Verbindungstechnik und Lote... 44 2.2.4 Metallische Leiter in der Mikroelektronik... 46 2.3 Elektrische Widerstände und Heizleiter... 47 2.4 Thermoelemente... 49

XII Inhaltsverzeichnis 3 Halbleiter... 51 3.1 Der Halbleiter Silizium Elektronik und Mikroelektronik... 52 3.1.1 Herstellung von Reinstsilizium... 53 3.1.2 Czochralski-Verfahren... 56 3.1.3 Floating-Zone-Verfahren, tiegelfreies Zonenziehen... 58 3.1.4 Herstellung von Halbleiterscheiben... 59 3.1.5 Dotierung von Silizium gezielte Einstellung der elektronischen Eigenschaften... 60 3.1.6 Der pn-übergang, die Bipolar-Diode... 66 3.1.7 Die Si-SiO 2 -Grenzfläche, das MOS-FET-Bauelement... 70 3.1.8 Kristalldefekte und Minoritätsladungsträgerlebensdauer... 72 3.2 Verbindungshalbleiter Optoelektronik... 74 3.2.1 Grundlagen der Verbindungshalbleiter... 74 3.2.2 Leuchtdioden... 84 3.2.3 Laserdioden... 87 3.2.4 Epitaxie-Prozesstechnologie... 90 3.2.5 Leuchtstoffe und Energiesparlampen... 93 3.2.6 Nachrichtenübertragung mittels Glasfasern... 95 3.2.7 Verbindungshalbleiter in der Hochfrequenz- und Leistungselektronik... 97 3.3 Polykristalline und amorphe Halbleiter Solarzellen und Dünnschichttransistoren... 99 3.3.1 Eigenschaften polykristalliner Halbleiter... 99 3.3.2 Eigenschaften amorpher Halbleiter... 101 3.3.3 Prozesstechnologie kristalliner, polykristalliner und amorpher Schichten am Beispiel von Silizium... 106 3.4 Organische Halbleiter Druckbare Elektronik... 134 3.4.1 Physikalische Grundlagen... 135 3.4.2 Anwendungen und Prozesstechnologie... 148 4 Graphen und weitere Kohlenstoffallotrope... 161 4.1 Physikalische Grundlagen... 162 4.1.1 Kristallstruktur... 162 4.1.2 Bandstruktur und physikalischen Eigenschaften von Graphen... 163 4.1.3 Graphen und Kohlenstoffallotrope... 164 4.2 Herstellung von Graphen... 168 4.2.1 (Mikro-)mechanisches Ablösen (Klebestreifen-Methode)... 169 4.2.2 Chemische Gasphasenabscheidung... 169 4.2.3 Epitaktisches Graphen... 172 4.2.4 Kolloidale Graphen Suspensionen... 174

Inhaltsverzeichnis XIII 5 Isolatoren und Dielektrika... 177 5.1 Materialschlüsselparameter... 177 5.1.1 Materialkenngrößen... 177 5.1.2 Polarisationsverhalten der Materie... 179 5.2 Materialien... 180 5.2.1 Polymere... 180 5.2.2 Gläser... 184 5.2.3 Keramiken... 186 5.2.4 Gase und Flüssigkeiten als Dielektrika... 192 5.2.5 Vergleich der Dielektrika... 192 5.3 Anwendungen von Dielektrika... 193 5.3.1 Dielektrika für Kondensatoren in der Elektronik... 193 5.3.2 Dielektrika für die Mikroelektronik... 197 5.4 Piezo- und Ferroelektrika... 199 5.4.1 Piezoelektrizität, Materialien und Anwendungen... 200 5.4.2 Ferroelektrizität, Materialien und Anwendungen... 202 6 Supraleiter... 205 6.1 Geschichtliches... 205 6.2 Physikalische Grundlagen der Supraleitung... 206 6.3 Supraleiter-Materialien... 212 6.3.1 Metallische Tieftemperatur-Supraleiter... 212 6.3.2 Keramische Hochtemperatur-Supraleiter... 213 6.4 Supraleiter-Anwendungen... 215 6.4.1 Kabel und Magnete (metallische Supraleiter)... 215 6.4.2 Elektrische Leiter und Transformatoren (Hochtemperatursupraleiter)... 217 6.4.3 Elektronische Bauelemente... 219 7 Magnetische Materialien... 221 7.1 Geschichtliches... 221 7.2 Physikalische Grundlagen des Magnetismus... 222 7.2.1 Magnetische Grundgleichung und Einheitensysteme... 222 7.2.2 Physikalischer Ursprung des Magnetismus in Festkörpern... 224 7.2.3 Magnetische Domänen in Ferro- und Ferrimagneten... 232 7.2.4 Hysterese-Kurve der magnetischen Polarisation... 234 7.3 Magnetische Materialien... 236 7.3.1 Hartmagnetische Materialien... 237 7.3.2 Weichmagnetische Materialien... 238

XIV Inhaltsverzeichnis 7.4 Magnetische Anwendungen... 242 7.4.1 Magnetische Bandlaufwerke... 242 7.4.2 Magnetische Festplatte... 243 7.4.3 Spintronik... 248 8 Thermoelektrika... 251 8.1 Thermoelektrischer Effekt und Anwendungen... 251 8.2 Physikalische Grundlagen und Materialkenngrößen... 253 8.2.1 Seebeck-Koeffizient S... 253 8.2.2 Peltier-Koeffizient 254 8.2.3 Thomson-Effekt 254 8.2.4 Dimensionslose Kennzahl ZT thermoelektrischer Materialien... 255 8.2.5 Carnot-Wirkungsgrad c... 256 8.3 Materialien... 257 8.3.1 Thermoelemente... 257 8.3.2 Thermoelektrische Generatoren (Peltier-Element)... 258 Sachverzeichnis... 263