Halbleiterbauelemente

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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 Halbleiter Material  [eV] Ag 4,7 Al 4,1
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 – + U Metall Halbleiter

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 Halbleiter  Metall Gesamtstrom
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 Ohmscher Kontakt : Al / n-Si
Tunnel-Effekt Elektronenstrom Metall n+-Schicht n-Halbleiter 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
Diffusionsstrom Elektrochemisches Potential im Gleichgewichtzustand: … Das elektrochemische Potential der Elektronen hat im Gleichgewichtzustand (bei Stromlosigkeit) überall den gleichen Wert. Feldstrom

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

14 Halbleiterdiode (Gleichrichter)
U

15 Die Sperrrichtung wird genutzt
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 , ,8 Si , ,1 GaAs 1, ,83

17 Tunnel Diode

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

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