Angewandte Halbleiterphysik

• Titel: Angewandte Halbleiterphysik
• Autor: Martin Kamp
• Organisation: UNI WUERZBURG
• Seitenzahl: 148

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Inhalt

• Elemente und Verbindungen
• Periodensystem mit relevanten Elementen
• Elementhalbleiter Si Ge C Diamant Binäre Verbindungshalbleiter
• Welches Halbleitermaterial für welche Anwendung
•  Kristallstrukturen reziproker Raum erste Brillouinzone
• Wurzit Struktur CdSe ZnSe
• r r r r r xa ya za
• Die Basisvektoren des reziproken Raums bestimmen sich durch
• Konstruktion der ersten Brillouinzone
• Kristallgitter mit rechteckiger Elementarzelle
• Gitter im reziproken Raum
• Symmetriepunkte in der ersten Brillouin Zone
• Konstruktion bei dreidimensionalen Gittern analog zum zweidimensionalen Gitter
• Einfach kubisches Gitter Simple cubic sc
• Kubisch raumzentriertes Gitter Body centered cubic bcc
• Kubisch flächenzentriertes Gitter Face centered cubic fcc
• Entstehung von Bandstrukturen
• Energiezustände als Funktion des Atomabstands
•  Materie unter hohen Drücken
•  Bandstrukturen von technologisch relevanten Halbleitern
• h k E k meff
•  Anisotropie der effektiven Masse
• Die effektive Masse hat im allgemeinen Fall Tensorcharacter
• Ge Si GaAs
• mt ml mhh mlh
• Fermi Dirac Verteilung
• Lösungen der Schrödingergleichung sind daher
• x y z Ceik x x e
• ik y y ik z z
• r r h k E k m
• Mit den folgenden Beziehungen kann man substituieren
• dk k dk k
• m E und dk m h E h
• Für die Zustandsdiche ergibt sich daher
• Einsetzen von DE und fE liefert
• D E f E dE
• Man bekommt als Lösung
• und dem FermiDirac Integral
• Für die Elektronendichte ergibt sich damit
• und analog für Löcher
• Problem EF ist noch unbekannt
• und damit für die Dichte der Ladungsträger
•  Ladungsträgerdichten im dotierten Halbleiter
• ED ist die energetische Lage des Donatorniveaus
• Temperaturabhängigkeit der Fermienergie im dotierten Halbleiter
• Lage der Fermienergie Dotierkonzentrationen
• Ladungsträger in perfekten Kristallen
• Beschleunigte Bewegung Energieübertrag pro Zeiteinheit
• Begründung Welle für kleine k grosse Wellenlänge
• Reflektion der Welle am Kristallgitter stehende Welle vg
•  Ladungträger in realen Kristallen
• Streuung an Gitterschwingungen
• Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit bei verschiedene Dotierkonzentrationen
• Mathematische Nebenbemerkung zur Herleitung in Punkt
• r ne r RH pe RH
• Der gesamte Teilchenfluss wird daher
• n n Dn x t
• Partielle Differentialgleichung zweiter Ordnung
•  Bandverlauf im elektrischen Feld
• Die Konzentration der Löcher ist gegeben durch
• Für einen intrinsischen Halbleiter gilt
• Damit können wir die erste Gleichung umformen
• und für Elektronen
•  PN Übergang
•  pn Übergang im thermischen Gleichgewicht Dotierung pSeite
• p p N A n p
•  Drift und Diffusionsstrom Löcherstrom
• j p j p Drift j p Diffusion
• j p e p pE eD p
• dE F E F const dx
• Abrupter pn Übergang
• Es gilt die Poissiongleichung
• p Seite NA p n
• n Seite ND n p
• p N A ni exp Ei EF kT
• x x eN A x p
• für xp x für x xn
• xp xp xn xn
• eN A eN D xp xn EmW
•  Linearer pn Übergang
• Damit wird die Breite der Raumladungszone
•  StromSpannungscharakteristik des pn Übergangs
• N A nn N D pn
• erhält man für Vbi
• Daraus folgt umgekehrt für die Ladungsträgerdichten
• nn nn und p p p p
• Als Lösung der Differentialgleichung ergibt sich
• Ladungsträger und Stromdichten
• j p xn eD p
• Auf der pSeite
• jn x p eDn
• Die Gesamtstromdichte wird damit
• In logarithmischer Auftragung erwartet man daher eine Gerade
• log j log js
• mit der Temperaturspannung U T
• kT ca mV bei RT e
•  Strom Spannungskennlinie einer idealen Diode
•  Strom Spannungskennlinie einer realen Diode
• Einseitig abrupter Übergang NAND
• ND A e A W Vbi U ext
• ea Vbi U ext
• Vbi U ext Cs A eN D
• Einsatz als Varactor variable reactor
•  Durchbruch von Dioden
• Der Sperrstrom ist temperaturabhängig
• Tunneln durch eine dreieckige Barriere FowlerNordheim Tunneln
• Die Berechnung der Tunnelwahrscheinlichkeit erfolgt mit der Schrödingergleichung
• h d V x E m dx
• d mV x E dx h
• WKB Näherung Wentzel Kramers Brillouin
• x dx x expkdx
• für Ausbreitung von links nach rechts
• Die Tunnelwahrscheinlichkeit berechnet sich nun zu
• Niedrige Dotierung Hohe Dotierung
• Kennlinie einer SiDiode bei verschiedenen Temperaturen
•  Ladungsspeicherung und Diffusionskapazität
•  Kennlinien realer Dioden
• e Bn Bp EG
• Somit ergibt sich für die Kontaktpotentiale
•  Ladungsträgerdichte Potential elektrisches Feld
• Damit ergibt sich für die Breite der Raumladungszone
•  Fluss und Sperrpolung Metall nHalbleiter Metall pHalbleiter
• Keine externe Spannung thermisches Gleichgewicht
• Ohne externe Spannung
• jp eD p ni LP N D
• Mit dem elektrischen Feld E
• Der spezifische Kontaktwiderstand ist definiert als
• a Für thermionische Emission niedrige Barriere ergibt sich
• jn evR n e
• Aufbau des Transistors npn Transistor pnp Transistor
• Die Kontaktpotentiale sind gegeben durch
• Stromfluss im Transistors
• I E I r BE
• Lange und kurze Dioden
• Ladungsträgerverteilung im Transistor
• D p E N B wB
• Der Basistransportfaktor wird somit zu
• Qn B C j BC eN B
• eN B wb x p BC xn BC
• x p BC xn BC
• Übertragungsfunktion eines InGaAsPInP HBT
• Übertragungsfunktion eines SiCMOS Transistors
• HBT Heterostruktur Bipolar Transistor HalbleiterHeterostrukturen
• Halbleiter vor Kontakt
• Halbleiter in Kontakt
• N Vbi U ext N N
• N Vbi U ext N N
• x N Vbi U ext eN N N
• N Vbi U ext eN N N
• n p pn ni B NB niE NE
•  HBTs auf IIIV Basis
• HBTs auf Si Basis
• Zeitliche Entwicklung der Grenzfrequenz von SiGeHBTs
• Elektronenmikroskopische Aufnahme eines SiGeHBTs
• Bandlücke von SixGex als Funktion des Germaniumgehalts
• Schichtaufbau eines SiGe HeterostrukturTransistors
•  Durchbruch von Transistoren
•  Herstellung von Transistoren
• d Implantation des Kollektorbereichs BorImplantation für Basisbereich
• f Metallisierungs und Isolationsschritte in Ebenen inkl Einlegierungsschritte
• Beispiel für hybrid aufgebauten Leistungsdarlington Valvo BDV B
• Typisches Dotierprofil eines Thyristors
•  Raumladungszonen und Potentiale Sperrzustand in Vorwärtspolung
•  Zeitverlauf des Zündvorgangs
• Emitterstreifen GateStreifen GateKontaktierung
•  Aufbau und Gehäuse
• Spannung V Strom A Gewicht kg
• Thyristor mit Lichtzündung
• Symmetrisch aufgebauter Triac
•  Schaltverhalten von Transistor Thyristor und Triac
•  Funktionsprinzip eines JFET
• Linearer Bereich VG VD klein
• Abschnürung VG VD Vsat
• Sättigung VG VD Vsat
• Einfluss der Gatespannung VG V VD klein
• Kanalbreite b im Sättigungsbereich b aW
• Kennlinienfeld eines JFET
• r VG Vbi und eN D
• am Drainkontakt yL die Breite W
• r VD VG Vbi eN D
• a r VP eN D
• Integration entlang des Kanals liefert
• Daraus ergibt sich der Drainstrom zu
• Ze n N D ID r L
• Einsetzen von W
• VP die pinchoff Spannung
• eN D a Vp r
• a Linearer Bereich
•  Metall Oxid Halbleiterkontakt
• Banddiagramm eines MetallOxidHalbleiters im Flachbandfall ohne externe Spannung
• Anreicherung Verarmung Inversion
• Ladungsdichten Potentiale und Felder im Inversionsfall
• Starke Inversion Die Elektronenkonzentration übersteigt die Akzeptorkonzentration
• s inv B Ei E F
• r s s inv eN A
• Poissongleichung zu Wm
• rs ist die relative Dielektrizitätskonstande des Halbleiters
• Verteilung der Ladungsdichte
• Aufbau eines MOSFETS
• xinv für y L ID IDsat
• Querschnitt durch einen MOSFET
• Potential entlang des Kanals
• Qs y VG S y C
• a Näherung für den linearen Bereich
• ID Z n C VG VT VD L
• VT war die Schwellenspannung threshold voltage des Transistors
• Kennlinienfeld eines MOSFETs
•  Kennlinienvergleich JEFT MOSFET nKanal SperrschichtFET BFW Valvo
• nKanal MOSFET BFS Valvo
•  Einstellen der Einsatzspannung
• Si MOSFET Technologie Typische Dimensionen eines MOSFETs
• VMOS vertical oder Vshaped grooved MOS
• SIPMOS symmetrical DIMOS
• Dünnschichttransistoren TFT thin film transistor
• Gesamtwiderstand R R R
• Bahnwiderstand Typische Werte für r
•  FET als Lastwiderstand
•  Prozesstechnologie für integrierte Schaltungen
• Isolationstechniken pn Übergänge
• Ätzen eines Isolationsrahmens
• SiO Isolation bis ins pSubstrat
• Der Injektortransistor ist zentral als Streifenkontakt ausgeführt
• Complementary MOS CMOS
• Kombination von nMOS und pMOS Transistoren
• nMOS Inverter Schalttransistor A Lasttransistor B Übertragungsfunktion
• Stromfluss im CMOS Inverter
• Vergleich der LeistungsSchaltzeitprodukte für die verschiedenen Logikfamilien
• Herstellung eines CMOS Inverters

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