Halbleiterbauelemente

1. Halbleiterbauelemente • Kontakt Metall-Halbleiter • Gleichrichter (Schottky-Kontakt oder Schottky-Barriere) • Ohmscher Kontakt • p – n Gleichrichter • Zener Diode • Photodiode (Solarzelle) • Tunneldiode • Transistor • Andere Elemente auf der Basis von Halbleitern (für hybride Schaltkreise) • Widerstand • Isolator • Kondensator

2. Negativ/positiv geladene Oberfläche Bänderschema von einem n-Typ-Halbleiter mit negativ geladener Oberfläche Bei der Oberfläche gibt es daher wenig freie Elektronen – die negative Ladung der Oberfläche stellt eine Potentialbarriere für Elektronen dar. Bänderschema von einem p-Typ-Halbleiter mit positiv geladener Oberfläche Bei der Oberfläche gibt es wenig „freie Löcher“ – die positive Ladung der Oberfläche stellt eine Potential-barriere für freie Löcher dar. Usus: die Kanten der Energiebänder werden verzerrt dargestellt, nicht die Fermi-Energie

3. Kontakt: Metall und n-Halbleiter Potentialbarriere Energiebänder von einem Metall und einem n-Typ-Halbleiter (ohne Kontakt) Die Fermi-Energien sind unterschiedlich Elektronen Energiebänder vom Metall und von einem n-Typ-Halbleiter • Elektronen fließen ins Metall, bis sich die Fermi-Energien ausgleichen. • Die Metalloberfläche lädt sich negativ auf. • Dabei bildet sich eine Potentialbarriere. • Im Gleichgewicht gibt es nur einen Diffusionsstrom (gleich in den beiden Richtungen)

4. Kontakt: Metall und p-Halbleiter Potentialbarriere Elektronen Energiebänder: Die Fermi-Energien sind unterschiedlich Energiebänder vom Metall und von einem p-Typ-Halbleiter • Elektronen fließen in den Halbleiter, bis sich die Fermi-Energien ausgleichen. • Die Metalloberfläche lädt sich positiv auf. • Dabei bildet sich eine „negative“ Potentialbarriere. • Im Gleichgewicht gibt es nur einen Diffusionsstrom (gleich in den beiden Richtungen)

5. Austrittsarbeit Metalle Material  [eV] Ag 4,7 Al 4,1 Au 4,8 Be 3,9 Ca 2,7 Cs 1,9 Cu 4,5 Fe 4,7 K 2,2 Li 2,3 Na 2,3 Ni 5,0 Zn 4,3 Halbleiter Material  [eV] Diamant 4,8 Ge 4,6 Si 3,6 Sn 4,4

6. Elektrische Ströme Diffusionsstrom Driftstrom Metall Halbleiter Metall Halbleiter – + I > 0 I = 0 U

7. Driftstrom Sperrrichtung Die Potentialbarriere wird im äußeren E-Feld höher Hindernis für Elektronen Flussrichtung Die Potentialbarriere wird im äußeren E-Feld niedriger Beschleunigung der Elektronen

8. Driftstrom Metall  Halbleiter A … Fläche C … Konstanten T … Temperatur  … Affinität  … Austrittsarbeit kB … Boltzmann-Konstante V … externe Spannung Halbleiter Metall Gesamtstrom vergrößert

9. Ohmscher Kontakt Elektronen Beispiel: Al / Ge : Al > Si  der Kontakt Al / Ge ist gut leitend Technologische Beispiele: Al / Si oder Al / SiO2 Al > Si  der Kontakt Al / p-Si ist gut leitend der Kontakt Al / n-Si kann jedoch wie ein Gleichrichter funktionieren

10. Elektronenstrom Metall n+-Schicht n-Halbleiter Tunnel-Effekt Ohmscher Kontakt : Al / n-Si Die n+-Schicht muss schmal sein. Problem: Elektrotransport Übertragen von Atomen durch einen hohen Elektronenstrom Lösungen: Al  Al + Cu, Al  Al + Si Beschichtung mit Gold

11. p-n Gleichrichter (Diode) Diode unter Spannung Im Gleichgewicht (ohne externe Spannung)

12. Elektrochemisches Potential im Gleichgewichtzustand: … Das elektrochemische Potential der Elektronen hat im Gleichgewichtzustand (bei Stromlosigkeit) überall den gleichen Wert. Elektrochemisches Potential Diffusionsstrom Feldstrom

13. p-n Gleichrichter (Diode) Elektronen Löcher Potentialsprung Mit Spannung Ohne Spannung

14. Halbleiterdiode (Gleichrichter) I U

15. Zener Diode Die Sperrrichtung wird genutzt Ionisationsprozess Lawinenartiger Anstieg des elektrischen Stroms Freie Elektronen sind im Spiel

16. Photodiode (Solarzelle) Eg Eg [eV]  [m] Ge 0,7 1,8 Si 1,1 1,1 GaAs 1,5 0,83

17. Tunnel Diode

18. Transistor B E C 2 Potentialbarrieren Transistor ohne externe Spannung

19. Transistor n p n Beschleunigung im elektrischen Feld Potential-barriere Verstärker

20. Bauelemente in hybriden Schaltkreisen Widerstand: Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Dotierung im p-Bereich Kondensator: Andere elektrische Ladung im p- und im n-Bereich, dazwischen Isolator (Dielektrikum) Technologie Ausgangsmaterial: SiO2 Si  Czochralski Methode (Si-Einkristalle) Diffusionsprozess: Diffusion von Phosphor (n) oder Bor (p) in Si. Maske – SiO2.