Physik der Halbleiterbauelemente: Einführendes Lehrbuch für Ingenieure und Physiker (German Edition)

Dieses Lehrbuch stellt eine Einführung in die Physik der Halbleiterbauelemente dar, wobei die Betonung auf den physikalischen Grundprinzipien liegt. Es wendet sich insbesondere an Bachelor- und Masterstudenten der Elektro- und Informationstechnik und der Technischen Physik, aber auch an angehende Physiker, die sich mit den Anwendungen der Halbleiterphysik vertraut machen wollen. Die grundlegenden Sachverhalte und Gleichungen werden mit ausführlichen Herleitungen präsentiert. Jedes Kapitel enthält durchgerechnete Beispiele und Aufgaben, die zum Teil unter Verwendung von MATLAB zu lösen sind. Die Lösungsvorschläge dazu sowie eine komprimierte Daten- und Formelsammlung werden online bereitgestellt. Zusammenfassungen, ergänzende Kapitel über Trends und Tendenzen sowie Hinweise auf weiterführende Literatur runden den Text ab. Die vorliegende dritte Auflage wurde dazu genutzt, eine Vielzahl von Korrekturen auszuführen und so das Verständnis zu verbessern. Vorwort zur 3. Auflage 5 Vorwort zur 2. Auflage 5 Aus dem Vorwort zur 1. Auflage 5 Inhaltsverzeichnis 10 1 Grundlagen der Mikrophysik 15 1.1 Aussagen der Quantenmechanik 15 1.1.1 Photonen als Teilchen 16 1.1.2 Emission und Absorption von Licht 18 1.1.3 Elektronen als Wellen 19 1.1.4 HEISENBERGsche Unschärferelation 20 1.1.5 PAULI-Prinzip 21 1.2 Das BOHRsche Atommodell 21 1.3 Freie Elektronen 25 1.3.1 Wie entstehen freie Elektronen? 25 1.3.2 Zur Energieeinheit Elektronenvolt 27 1.3.3 Zusammenhang Energie – Impuls/Wellenzahl 28 1.4 Aufbau der Atome und Periodensystem 29 1.5 Kristallstrukturen und Geometrie 32 1.5.1 Bravais-Gitter und Elementarzellen 32 1.5.2 Atomabstände und Packungsdichten 34 1.5.3 Kristallrichtungen und MILLERsche Indizes 35 1.5.4 Massen und Dichten von Halbleitersubstanzen 37 1.6 Chemische Bindung 39 1.6.1 Übersicht über die Bindungsarten 39 1.6.2 Verbreiterung der Energieniveaus zu Bändern 43 1.7 Halbleiter 45 1.7.1 Orientierung an der elektrischen Leitfähigkeit 45 1.7.2 Bindungen und Bänder in Halbleitern 46 1.7.3 Halbleitermaterialien 47 1.8 Einige Ergänzungen 49 Zusammenfassung zu Kapitel 1 51 Aufgaben zu Kapitel 1 53 2 Bänderstruktur und Ladungstransport 59 2.1 Bändermodell 60 2.1.1 Eigenschaften des Leitungs- und Valenzbandes 60 2.1.2 Erzeugung „freier“ Elektronen und Löcher 64 2.2 Trägerdichte im Leitungs- und Valenzband 66 2.2.1 Zustandsdichte der Elektronen und Löcher 66 2.2.2 Fermi-Verteilung 69 2.2.3 Teilchenkonzentration in den Bändern 71 2.2.4 Bestimmung der Fermi-Energie 76 2.3 Halbleiter mit Störstellen 77 2.3.1 Donatoren und Akzeptoren 77 2.3.2 Bindungsenergie von Ladungsträgern an Störstellen 78 2.3.3 Ladungsträgerkonzentration bei Anwesenheit von Störstellen 80 2.4 Die Bewegung von Ladungsträgern 86 2.4.1 Drift 86 2.4.2 Anwendung: Widerstandsthermometer 91 2.4.3 HALL-Effekt 93 2.4.4 Diffusion 96 2.4.5 Einstein-Beziehung 98 2.4.6 Generation und Rekombination 99 2.4.7 Kontinuitätsgleichungen 103 2.4.8 Halbleiter im stationären Nichtgleichgewicht 104 2.5 Temperaturabhängigkeit von Energielücke und effektiver Masse 106 2.6 Halbleiter bei hohen Ladungsträgerdichten 107 2.6.1 Trägerkonzentration im Leitungsband 107 2.6.2 Gapschrumpfung 110 2.7 Einige Ergänzungen 115 2.7.1 Bandstruktur von Halbleitern 115 2.7.2 Ein- und zweidimensionale Halbleiter 118 2.7.3 Der Teilchenzoo der Halbleiterphysik 119 Zusammenfassung zu Kapitel 2 120 Aufgaben zu Kapitel 2 124 3 pn-Übergänge 134 3.1 Modell einer Halbleiterdiode 134 3.2 pn-Übergang ohne äußere Spannung 136 3.2.1 Qualitative Betrachtungen 136 3.2.2 Berechnung des Potentialverlaufs 138 3.2.3 Breite der Sperrschicht 140 3.2.4 Diffusionsspannung 140 3.3 pn-Übergang mit äußerer Spannung 144 3.3.1 Modell 144 3.3.2 Breite der Sperrschicht 145 3.3.3 Berechnung der Ströme 146 3.3.4 Strom-Spannungs-Kennlinie 150 3.3.5 Lawinen- und Zener-Effekt 153 3.4 Kapazität eines pn-Übergangs 155 3.4.1 Sperrschichtkapazität 155 3.4.2 Diffusionskapazität 158 3.5 Differentieller Widerstand und Leitwert 159 3.6 ESAKI- oder Tunneldiode 160 3.7 Einige Ergänzungen zu pn-Übergängen 162 Zusammenfassung zu Kapitel 3 163 Aufgaben zu Kapitel 3 165 4 Optoelektronische Bauelemente 174 4.1 Lumineszenz-Bauelemente 174 4.1.1 Lichtemission an pn-Übergängen 174 4.1.2 Lumineszenzmaterialien 175 4.1.3 Spektralabhängigkeit der Lumineszenz bei Band-Band-Übergängen 180 4.1.4 Aufbau und Technologie von Lumineszenzdioden 182 4.1.5 Entwicklungstendenzen bei Lumineszenzdioden 188 4.2 Einiges über Halbleiterlaser 189 4.2.1 Übersicht 189 4.2.2 Grundsätzliches zur Funktionsweise 190 4.2.3 Optischer Einschluss (Confinement) 191 4.2.4 Besetzungsinversion und Gewinn 193 4.2.5 Bilanzgleichungen für Elektronen und Photonen 195 4.3 Absorptions-Bauelemente 199 4.3.1 Physikalische Grundlagen der Absorption 199 4.3.2 Photoleiter 204 4.3.3 Photodioden und weitere Photodetektoren 205 4.3.4 Materialien für optische Empfänger 210 4.3.5 Entwicklungstendenzen bei Photodetektoren 212 4.4 Solarzellen − Photovoltaik 212 Zusammenfassung zu Kapitel 4 217 Aufgaben zu Kapitel 4 219 5 Bipolartransistoren und Thyristoren 224 5.1 Einfaches Transistormodell 224 5.2 Abschätzung der Verstärkungswirkung 228 5.2.1 Definition verschiedener Verstärkungsfaktoren 228 5.2.2 Diffusionsstrom in der Basis 230 5.2.3 Größenordnung der Stromverstärkung 233 5.3 EBERS-MOLL-Gleichungen 235 5.3.1 Relativ einfache Herleitung 235 5.3.2 Zusammenfassung der Herleitung 239 5.3.3 Allgemeine Form der EBERS-MOLL-Gleichungen 241 5.3.4 Verschiedene Näherungen für die EBERS-MOLL-Gleichungen 242 5.4 Herleitung der EBERS-MOLL-Gleichungen aus den Diffusionsgleichungen 245 5.4.1 Ansätze für die Diffusionsströme 245 5.4.2 Lösungen der Diffusionsgleichungen 246 5.5 Kennlinienfelder 248 5.5.1 Kennlinienfelder in Basisschaltung 248 5.5.2 Kennlinienfelder in Emitterschaltung 250 5.5.3 EARLY-Effekt 254 5.6 Ergänzungen zu Bipolartransistoren. Tendenzen 255 5.7 Thyristoren und Triacs 255 5.7.1 Modell eines Thyristors. Thyristorkennlinie 255 5.7.2 Gleichungen für den Vorwärtsstrom 259 5.7.3 Triacs 261 Zusammenfassung zu Kapitel 5 262 Aufgaben zu Kapitel 5 263 6 Metall-Halbleiter-Kontakte und Feldeffekt-Transistoren 270 6.1 Metall-Halbleiter-Kontakte 270 6.1.1 SCHOTTKY-Dioden 270 6.1.2 OHMsche Kontakte 275 6.2 Einführung in Feldeffekttransistoren 276 6.2.1 Die verschiedenen Typen von Feldeffekttransistoren 276 6.2.2 Einfaches Modell 279 6.3 Detailliertere Beschreibung des MOSFET 283 6.3.1 Ladungszustände eines MOS-Kondensators 283 6.3.2 Quantitative Betrachtung der Inversionsbedingung 286 6.3.3 Ladungen, Kapazität und Sperrschichtbreite am MOS-Kondensator 288 6.3.4 Verfeinerte Herleitung der Kennliniengleichung 292 6.3.5 MOS-Kondensator mit Berücksichtigung der beweglichen Ladungsträger 296 6.4 MOSFETs in der digitalen Schaltungstechnik 300 6.4.1 Binäre Schaltungen 300 6.4.2 MOSFET als Inverter 301 6.4.3 MOSFET als Lastwiderstand 302 6.4.4 MOSFET als Logikgatter 303 6.4.5 CMOS-Inverter und CMOS-Logikgatter 304 6.4.6 Bipolartransistoren in integrierten Schaltungen 306 6.5 Speicherschaltkreise 307 6.5.1 RAM-Speicher 307 6.5.2 ROMs 307 6.5.3 EPROMs und EEPROMs 307 6.6 CCD-Bauelemente 309 6.7 Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren 310 6.8 Zur Zukunft der MOS-Technologie 312 Zusammenfassung zu Kapitel 6 314 Aufgaben zu Kapitel 6 316 7 Halbleitertechnologie 319 7.1 Vom Sand zum Chip: Fertigungsschritte im Überblick 319 7.2 Herstellung von Silizium-Einkristallen 320 7.2.1 Rohsilizium 320 7.2.2 Trichlorsilan und Polysilizium 320 7.2.3 Herstellung von Einkristallen 323 7.3 Herstellung von Einkristallen anderer Halbleiter 325 7.3.1 Germanium 325 7.3.2 Besonderheiten bei der Herstellung von Verbindungshalbleitern 325 7.4 Herstellung und Bearbeitung der Halbleiterscheiben 326 7.4.1 Übersicht 326 7.4.2 Oxidation 329 7.4.3 Dotieren 331 7.4.4 Epitaxieverfahren 334 7.4.5 Metallisierung durch Aufdampfen und Sputtern 337 7.4.6 Ätzen 339 7.4.7 Reinigen 341 7.5 Lithographie 341 7.6 Reinraumtechnik 345 7.7 Ein Beispiel für die Technik integrierter Schaltungen 349 7.8 Tendenzen der Halbleitertechnologie 352 Zusammenfassung zu Kapitel 7 354 Aufgaben zu Kapitel 7 357 Anhang: Daten- und Formelsammlung 360 Literaturverzeichnis 384 Verzeichnis der Internet-Dateien 388 Verwendete Formelzeichen 393 Index 400 Personenindex 415 Front Matter ....Pages i-xv Grundlagen der Mikrophysik (Frank Thuselt)....Pages 1-44 Bänderstruktur und Ladungstransport (Frank Thuselt)....Pages 45-119 pn-Übergänge (Frank Thuselt)....Pages 121-160 Optoelektronische Bauelemente (Frank Thuselt)....Pages 161-210 Bipolartransistoren und Thyristoren (Frank Thuselt)....Pages 211-256 Metall-Halbleiter-Kontakte und Feldeffekt-Transistoren (Frank Thuselt)....Pages 257-305 Halbleitertechnologie (Frank Thuselt)....Pages 307-347 Anhang: Daten- und Formelsammlung (Frank Thuselt)....Pages 349-372 Back Matter ....Pages 373-409 Im Mittelpunkt des einführenden Lehrbuchs für Ingenieure und Physiker stehen die physikalischen Grundprinzipien. Die grundlegenden Sachverhalte und Gleichungen werden mit ausführlichen Herleitungen präsentiert. Jedes Kapitel enthält Zusammenfassungen sowie durchgerechnete Beispiele und Aufgaben (z. T. mit MATLAB zu lösen). Die 2., korrigierte Auflage wurde um eine Daten- und Formelsammlung ergänzt. Kapitel zu aktuellen Trends und Tendenzen sowie Hinweise auf weiterführende Literatur runden den Band ab. Lösungsvorschläge werden im Internet angeboten Im Mittelpunkt des einfuhrenden Lehrbuchs fur Ingenieure und Physiker stehen die physikalischen Grundprinzipien. Die grundlegenden Sachverhalte und Gleichungen werden mit ausfuhrlichen Herleitungen prasentiert. Kapitel zu aktuellen Trends und Tendenzen sowie Hinweise auf weiterfuhrende Literatur runden den Band ab.