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1 Halbleiterbauelemente Kontakt Metall-Halbleiter Gleichrichter (Schottky-Kontakt oder Schottky-Barriere) Ohmscher Kontakt p – n Gleichrichter Zener Diode.

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Präsentation zum Thema: "1 Halbleiterbauelemente Kontakt Metall-Halbleiter Gleichrichter (Schottky-Kontakt oder Schottky-Barriere) Ohmscher Kontakt p – n Gleichrichter Zener Diode."—  Präsentation transkript:

1 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 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 3 Kontakt: Metall und n-Halbleiter Energiebänder vom Metall und von einem n-Typ-Halbleiter Potentialbarriere Energiebänder von einem Metall und einem n-Typ-Halbleiter (ohne Kontakt) Die Fermi-Energien sind unterschiedlich 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) Elektronen

4 4 Kontakt: Metall und p-Halbleiter Energiebänder vom Metall und von einem p-Typ-Halbleiter Potentialbarriere Energiebänder: Die Fermi-Energien sind unterschiedlich 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) Elektronen

5 5 Austrittsarbeit Metalle Material [eV] Ag4,7 Al4,1 Au4,8 Be3,9 Ca2,7 Cs1,9 Cu4,5 Fe4,7 K2,2 Li2,3 Na2,3 Ni5,0 Zn4,3 Halbleiter Material [eV] Diamant4,8 Ge4,6 Si3,6 Sn4,4

6 6 Elektrische Ströme DiffusionsstromDriftstrom MetallHalbleiter I = 0 MetallHalbleiter I > 0 U –+

7 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 8 Driftstrom Metall Halbleiter A … Fläche C … Konstanten T … Temperatur … Affinität … Austrittsarbeit k B … Boltzmann- Konstante V … externe Spannung Halbleiter Metall Gesamtstrom vergrößert

9 9 Ohmscher Kontakt Elektronen Beispiel: Al / Ge : Al > Si der Kontakt Al / Ge ist gut leitend Technologische Beispiele: Al / Si oder Al / SiO 2 Al > Si der Kontakt Al / p-Si ist gut leitend der Kontakt Al / n-Si kann jedoch wie ein Gleichrichter funktionieren

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

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

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

13 13 p-n Gleichrichter (Diode) ElektronenLöcher Potentialsprung Ohne Spannung Mit Spannung

14 14 Halbleiterdiode (Gleichrichter) U I

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

16 16 Photodiode (Solarzelle) EgEg E g [eV] [ m] Ge 0,7 1,8 Si 1,1 1,1 GaAs 1,5 0,83

17 17 Tunnel Diode

18 18 Transistor Transistor ohne externe Spannung EC B 2 Potentialbarrieren

19 19 Transistor npn Potential- barriere Beschleunigung im elektrischen Feld Verstärker

20 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: SiO 2 Si Czochralski Methode (Si-Einkristalle) Diffusionsprozess: Diffusion von Phosphor (n) oder Bor (p) in Si. Maske – SiO 2.


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