Halbleiterbauelemente Von Dr.-Ing. Karl-Heinz Löcherer Professor an der Universität Hannover M 1 Mit 330 Biläern, 11 Tafeln und 36 Beispielen B. G. Teubner Stuttgart 1992
Inhalt 1 Übergänge zwischen Halbleitern, Metallen und Isolatoren 1.1 Der' einfache pn-übergang 1 1.1.1 Der stromlose idealisierte pn-übergang 3 1.1.2 Der gleichstromdurchflossene idealisierte pn-übergang... 11 1.1.2.1 Die Strom-Spannungs-Charakteristik 1.1.2.2 Die Temperaturabhängigkeit 1.1.3 Abweichungen bei realen pn-übergängen 23 1.1.3.1 Generation und Rekombination in der Raumladungszone 1.1.3.2 Oberflächenrekombination 1.1.3.3 Verhalten bei großen Strömen 1.1.3.4 Durchbruchserscheinungen 1.1.4 Der wechselstromdurchflossene pn-übergang 38 1.1.4.1 Kleinsignalverhalten 1.1.4.2 Großsignalverhalten 1.2 Der pin- und psn-übergang 54 1.2.1 Die stationäre Strom-Spannungs-Charakteristik 55 1.2.2 Der wechselstromdurchflossene Übergang 64 1.2.2.1 Kleinsignalverhalten 1.2.2.2 Großsignalverhalten 1.3 Der Metall-Halbleiter-Übergang 67 1.3.1 Verarmungs-und Anreicherungs-Randschichten... 68 1.3.2 Der gleichstromdurchflossene Schottky-Übergang... 75 1.3.3 Der wechselstromdurchflossene Schottky-Übergang 80 1.4 Der Metall-Isolätor-Halbleiter-Übergang 82 1.4.1 Bändermodell und Kapazität der idealen MIS-Struktur. V. 83 1.4.2 Korrekturen für reale MIS-Strukturen 88 2 Dioden 2.1 Gleichrichter- und Mischdioden 93 2.1.1 Punktkontakt-Dioden. Spitzendiode. Golddrahtdiode... 101 2.1.2 Die Rückwärtsdiode 103
VIII Inhalt 2.1.3 Die Schottky-Diode 105 2.1.4 Leistungsgleichrichter 115 2.2 Z-Dioden 118 2.3 Schaltdioden 125 2.4 Varaktordioden 131 2.4.1 Sperrschicht-Varaktoren 131 2.4.2 Speicher-Varaktoren 146 2.4.3 MIS-Varaktoren 149 2.5 Die pin-diode als HF-Varistor und -Schalter 151 2.6 Aktive Mikrowellen-Dioden 160 2.6.1 Die Lawinen-Laufzeit-Diode 160 2.6.2 Die Baritt-Diode 174 2.6.3 Das Gunn-Element 175 2.6.4 Die Tunneldiode 194 J. 2.7 Lichtempfindliche Dioden 199 2.7.1 Empfangsdioden 200 2.7.1.1 Die Photodiode 2.7.1.2 Die Lawinen-Photodiode 2.7.1.3 Das Photoelement 2.7.2 Sendedioden 219 2.7.2.1 Lumineszenzdioden 2.7.2.2 Laserdioden 3 Feldeffekt-Transistoren 3.1 Das Funktionsprinzip. Typenübersicht 255 3.2 Der FET mit nicht-isolierender Steuerelektrode (NIGFET) 260 3.2.1 Der Aufbau des inneren Transistors 260 3.2.2 Der gleichstromdurchflossene innere Transistor 261 3.2.2.1 Die Strom-Spannungs-Charakteristik 3.2.2.2 Kennlinienfelder, Kenngrößen für den dynamischen Betrieb und Kleinsignal-Ersatzschaltung 3.2.2.3 Die Temperaturabhängigkeit des Drainstromes 3.2.3 Korrekturen für reale pn- und MES-FETs. Der praktische Arbeitsbereich 285
Inhalt IX 3.2.4 Sonderbauformen 291 3.2.4.1 Der NIGFET mit Substratsteuerung 3.2.4.2 Der NIG- FET mit zwei Gates (Dual-Gate FET, Tetrode) 3.2.4.3 Der MESFET mit verbesserten HF-Eigenschaften 3.3 Der FET mit isolierender Steuerelektrode (IGFET) 298 3.3.1 Der Aufbau des inneren Transistors. Selbstsperrender und selbstleitender Typ 298 3.3.2 Der gleichstromdurchflossene innere Transistor 304 3.3.2.1 Die Strom-Spannungs-Charakteristik 3.3.2.2 Kennlinienfelder und dynamische Kenngrößen 3.3.2.3 Die Temperaturabhängigkeit des Drainstromes 3.3.3 Korrekturen für reale IGFETs. Vorsichtsmaßnahmen... 312 3.3.4 Sonderbauformen 314 3.3.4.1 Der IGFET mit Substratsteuerung 3.3.4.2 Der IGFET mit zwei Gates (Dual-Gate MOS-FET, Tetrode) 3.3.4.3 Der MOS-Leistungstransistor 4 Bipolartransistoren 4.1 Das Funktionsprinzip. Typenübersicht 320 4.2 Der Aufbau des inneren Transistors 322 4.3 Der gleichstromdurchflossene innere Transistor 324 4.3.1 Ladungsträgerverteilung und Potentialverlauf im Transistor mit homogen dotierter Basis 324 4.3.2 Die Strom-Spannungs-Charakteristiken 327 4.3.2.1 Die drei Schaltungsarten 4.3.2.2 Kenngrößen-für den stationären Betrieb 4.3.2.3 Kennlinienfelder 4.3.2.4 Kenngrößen für den dynamischen Betrieb und Kleinsignal-Ersatzschaltung 4.3.2.5 Die Temperaturabhängigkeit des Kollektorstromes 4.4 Korrekturen für reale Transistoren 349 4.5 Der praktische Arbeitsbereich 356 4.6 Sonderbauformen 362 4.6.1 Der Hetero-Bipolartransistor (HBT) 362 4.6.2 Der Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) 366 4.6.3 Der Permeable-Base Transistor (PBT) 368
X Inhalt 5 Thyristoren 5.1 Strom-Spannungs-Beziehungen für Vierschichtstrukturen 372 5.2 Thyristor-Dioden 373 5.2.1 Die rückwärtssperrende Diode 373 5.2.2 Die bidirektionale Diode (Diac) 380 5.3 Thyristor-Trioden 382 5.3.1 Die rückwärtssperrende Thyristor-Triode (Thyristor) 382 5.3.2 Vom Thyristor abgeleitete Bauelemente 398 5.4 Thyristor-Tetroden 406 Anhang 1 Ergänzende Bücher und Tabellenwerke 407 2 Physikalische Konstanten v-> 410 3 Formelzeichen 410 4 Erläuterungen wichtiger Begriffe 413 Sachverzeichnis 420 Hinweise auf DIN-Normen in diesem Werk entsprechen dem Stand der Normung bei Abschluß des Manuskriptes. Maßgebend sind die jeweils neuesten Ausgaben der Normblätter des DIN Deutsches Institut für Normung e.v. im Format A4, die durch die Beuth-Verlag GmbH, Berlin und Köln, zu beziehen sind. - Sinngemäß gilt das gleiche für alle in diesem Buche angezogenen amtlichen Richtlinien, Bestimmungen, Verordnungen usw.