Materialien der Elektronik und Energietechnik : Halbleiter, Graphen, funktionale Materialien

Der Schwerpunkt dieses Lehrbuchs liegt auf elektronischen Materialien (Leiter, Dielektrika, anorganische und organische Halbleiter) und deren Anwendungen. Physikalische Grundlagen werden bei den allgemeinen Anwendungen beschrieben und Unterkapitel bieten Vertiefung anhand spezieller Anwendungen. Eine Gegenüberstellung von Fachbegriffen auf deutsch und auf englisch bereiten die Lernenden auf das Verstehen wissenschaftlicher Fachpublikationen vor. Fragenkomplexe ermöglichen die eigenständige Überprüfung des Kenntnisstands. Vorwort 6 Danksagung 8 Inhaltsverzeichnis 9 1 Allgemeine Grundlagen der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 13 1.1 Aufbau der Materie 13 1.2 Kristalldefekte 20 1.3 Chemische Bindung 25 1.4 Phasendiagramme 28 1.5 Mechanische Eigenschaften 33 1.6 Thermische Eigenschaften 41 2 Leiter und Metalle 47 2.1 Grundlagen der elektrischen Leitung 47 2.1.1 Elektrische Leitfähigkeit 47 2.1.2 Das Ohm’sche Gesetz 50 2.1.3 Kontaktspannung 52 2.2 Metallische Leiter 54 2.2.1 Metallische Leiter in Kabeln 54 2.2.2 Metallische Leiter in elektrischen Kontakten 56 2.2.3 Metallische Leiter in der Verbindungstechnik und Lote 56 2.2.4 Metallische Leiter in der Mikroelektronik 58 2.3 Elektrische Widerstände und Heizleiter 59 2.4 Thermoelemente 61 3 Halbleiter 63 3.1 Der Halbleiter Silizium – Elektronik und Mikroelektronik 64 3.1.1 Herstellung von Reinstsilizium 65 3.1.2 Czochralski-Verfahren 68 3.1.3 Floating-Zone-Verfahren, tiegelfreies Zonenziehen 70 3.1.4 Herstellung von Halbleiterscheiben 71 3.1.5 Dotierung von Silizium – gezielte Einstellung der elektronischen Eigenschaften 72 3.1.6 Der pn-Übergang, die Bipolar-Diode 78 3.1.7 Die Si-SiO2-Grenzfläche, das MOS-FET-Bauelement 82 3.1.8 Kristalldefekte und Minoritätsladungsträgerlebensdauer 84 3.2 Verbindungshalbleiter – Optoelektronik 86 3.2.1 Grundlagen der Verbindungshalbleiter 86 3.2.2 Leuchtdioden 96 3.2.3 Laserdioden 99 3.2.4 Epitaxie-Prozesstechnologie 102 3.2.5 Leuchtstoffe und Energiesparlampen 105 3.2.6 Nachrichtenübertragung mittels Glasfasern 107 3.2.7 Verbindungshalbleiter in der Hochfrequenzund Leistungselektronik 109 3.3 Polykristalline und amorphe Halbleiter – Solarzellen und Dünnschichttransistoren 111 3.3.1 Eigenschaften polykristalliner Halbleiter 111 3.3.2 Eigenschaften amorpher Halbleiter 113 3.3.3 Prozesstechnologie kristalliner, polykristalliner und amorpher Schichten am Beispiel von Silizium 118 3.4 Organische Halbleiter – Druckbare Elektronik 146 3.4.1 Physikalische Grundlagen 147 3.4.2 Anwendungen und Prozesstechnologie 160 4 Graphen und weitere Kohlenstoffallotrope 173 4.1 Physikalische Grundlagen 174 4.1.1 Kristallstruktur 174 4.1.2 Bandstruktur und physikalischen Eigenschaften von Graphen 175 4.1.3 Graphen und Kohlenstoffallotrope 176 4.2 Herstellung von Graphen 180 4.2.1 (Mikro-)mechanisches Ablösen (Klebestreifen-Methode) 181 4.2.2 Chemische Gasphasenabscheidung 181 4.2.3 Epitaktisches Graphen 184 4.2.4 Kolloidale Graphen-Suspensionen 186 5 Isolatoren und Dielektrika 188 5.1 Materialschlüsselparameter 188 5.1.1 Materialkenngrößen 188 5.1.2 Polarisationsverhalten der Materie 190 5.2 Materialien 191 5.2.1 Polymere 191 5.2.2 Gläser 195 5.2.3 Keramiken 197 5.2.4 Gase und Flüssigkeiten als Dielektrika 203 5.2.5 Vergleich der Dielektrika 203 5.3 Anwendungen von Dielektrika 204 5.3.1 Dielektrika für Kondensatoren in der Elektronik 204 5.3.2 Dielektrika für die Mikroelektronik 208 5.4 Piezound Ferroelektrika 210 5.4.1 Piezoelektrizität, Materialien und Anwendungen 211 5.4.2 Ferroelektrizität, Materialien und Anwendungen 213 6 Supraleiter 216 6.1 Geschichtliches 216 6.2 Physikalische Grundlagen der Supraleitung 217 6.3 Supraleiter-Materialien 223 6.3.1 Metallische Tieftemperatur-Supraleiter 223 6.3.2 Keramische Hochtemperatur-Supraleiter 224 6.4 Supraleiter-Anwendungen 226 6.4.1 Kabel und Magnete (metallische Supraleiter) 226 6.4.2 Elektrische Leiter und Transformatoren (Hochtemperatursupraleiter) 228 6.4.3 Elektronische Bauelemente 230 7 Magnetische Materialien 231 7.1 Geschichtliches 231 7.2 Physikalische Grundlagen des Magnetismus 232 7.2.1 Magnetische Grundgleichung und Einheitensysteme 232 7.2.2 Physikalischer Ursprung des Magnetismus in Festkörpern 234 7.2.3 Magnetische Domänen in Ferround Ferrimagneten 242 7.2.4 Hysterese-Kurve der magnetischen Polarisation 244 7.3 Magnetische Materialien 246 7.3.1 Hartmagnetische Materialien 247 7.3.2 Weichmagnetische Materialien 248 7.4 Magnetische Anwendungen 252 7.4.1 Magnetische Bandlaufwerke 252 7.4.2 Magnetische Festplatte 253 7.4.3 Spintronik 258 8 Thermoelektrika 261 8.1 Thermoelektrischer Effekt und Anwendungen 261 8.2 Physikalische Grundlagen und Materialkenngrößen 263 8.2.1 Seebeck-Koeffizient 263 8.2.2 Peltier-Koeffizient 264 8.2.3 Thomson-Effekt 264 8.2.4 Dimensionslose Kennzahl 265 thermoelektrischer Materialien 265 8.2.5 Carnot-Wirkungsgrad 266 8.3 Materialien 267 8.3.1 Thermoelemente 267 8.3.2 Thermoelektrische Generatoren (Peltier-Element) 268 Sachverzeichnis 272 Dieses Lehrbuch vermittelt die material-, produktions- und anwendungstechnischen Grundlagen für alle elektronischen Materialklassen. Mit zahlreichen, überwiegend farbigen, Abbildungen und Fragen zur Lernzielkontrolle bereitet es auf die Prüfungen und Klausuren vor. Durch die Angabe internationaler Termini erleichtert es gleichzeitig den Einstieg in spezialisierte Fachliteratur. Besondere Schwerpunkte dieses Lehrbuchs liegen auf der Behandlung von Halbleitern und Graphen. Das gesamte behandelte Themenspektrum ist sowohl für Studierende technischer als auch naturwissenschaftlicher Fächer relevant. Anhand von Tafeln wird die Verzahnung von beiden verdeutlicht, gleichzeitig geben sie eine Vertiefung bzw. Ergänzung des Grundlagenwissens. Somit bietet sich dieses Buch als Begleiter für mehrere Phasen des Studiums an. Der Inhalt Leiter und Metalle Halbleiter Graphen und weitere Kohlenstoffallotrope