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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

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Presentation Transcript
halbleiterbauelemente
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
negativ positiv geladene oberfl che
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

kontakt metall und n halbleiter
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)
kontakt metall und p halbleiter
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)
austrittsarbeit
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

elektrische str me
Elektrische Ströme

Diffusionsstrom

Driftstrom

Metall

Halbleiter

Metall

Halbleiter

+

I > 0

I = 0

U

driftstrom
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

driftstrom1
Driftstrom

Metall  Halbleiter

A … Fläche

C … Richardsson-konstanten

T … Temperatur

 … Affinität

Φ… Austrittsarbeit

kB … Boltzmann-Konstante

V … externe Spannung

e … Elementarladung

Halbleiter Metall

Gesamtstrom

vergrößert

ohmscher kontakt
Ohmscher Kontakt

Elektronen

Beispiel:

Al / Ge : Al < Ge 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

ohmscher kontakt al n si

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

p n gleichrichter diode
p-n Gleichrichter (Diode)

Diode unter Spannung

Im Gleichgewicht (ohne externe Spannung)

elektrochemisches potential

Elektrochemisches Potential im Gleichgewichtzustand:

… Das elektrochemische Potential der Elektronen hat im Gleichgewichtzustand (bei Stromlosigkeit) überall den gleichen Wert.

Elektrochemisches Potential

Diffusionsstrom

Feldstrom

p n gleichrichter diode1
p-n Gleichrichter (Diode)

Elektronen

Löcher

Potentialsprung

Mit Spannung

Ohne Spannung

zener diode
Zener Diode

Genutzt wird die Sperrrichtung

Ionisationsprozess:

Lawinenartiger Anstieg des elektrischen Stroms

Freie Elektronen sind im Spiel

photodiode solarzelle
Photodiode (Solarzelle)

Eg

Eg [eV]  [m]

Ge0.7 1.8

Si 1.1 1.1

GaAs1.5 0.83

transistor
Transistor

B

E

C

2 Potentialbarrieren

Transistor ohne externe Spannung

transistor1
Transistor

n

p

n

Beschleunigung im elektrischen Feld

Potential-barriere

Verstärker

bauelemente in hybriden schaltkreisen
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.