halbleiterbauelemente
DESCRIPTION
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 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/1.jpg)
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
![Page 2: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/3.jpg)
3
Kontakt: Metall und n-Halbleiter
Energiebänder vom Metall und von einem n-Typ-Halbleiter
SF
MFSM EE
0
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
![Page 4: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/4.jpg)
4
Kontakt: Metall und p-Halbleiter
Energiebänder vom Metall und von einem p-Typ-Halbleiter
0
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)
SF
MFSM EE
Elektronen
![Page 5: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/5.jpg)
5
AustrittsarbeitMetalle
Material [eV]Ag 4,7Al 4,1Au 4,8Be 3,9Ca 2,7Cs 1,9Cu 4,5Fe 4,7K 2,2Li 2,3Na 2,3Ni 5,0Zn 4,3
HalbleiterMaterial [eV]Diamant 4,8Ge 4,6Si 3,6Sn 4,4
![Page 6: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/6.jpg)
6
Elektrische Ströme
Diffusionsstrom Driftstrom
Metall Halbleiter
I = 0
Metall Halbleiter
I > 0
U
– +
![Page 7: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/7.jpg)
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
![Page 8: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/8.jpg)
8
Driftstrom
Metall Halbleiter
TkTCAI
B
MMH
exp2
A … FlächeC … Richardsson-
konstantenT … Temperatur … AffinitätΦ… Austrittsarbeit kB … Boltzmann-
KonstanteV … externe Spannunge … Elementarladung
Tk
eVTCAI
B
HMHM exp2
Halbleiter Metall
tbhängigkeiSpannungsastromSättigungs
2
2
1expexp
expexp
Tk
eV
TkACTI
TkC
Tk
eVCATIII
BB
M
B
M
B
HMMHHM
Gesamtstrom
vergrößert
![Page 9: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/9.jpg)
9
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
![Page 10: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Ohmscher Kontakt : Al / n-Si
Met
all
n +-S
chic
ht
n-H
albl
eite
r
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
![Page 11: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/11.jpg)
11
p-n Gleichrichter (Diode)
Im Gleichgewicht (ohne externe Spannung)
Diode unter Spannung
![Page 12: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/12.jpg)
12
Elektrochemisches Potential
Elektrochemisches Potential im Gleichgewichtzustand:
const.ln
ln
;
grad;DiffFeld
ne
TkU
ndx
dTk
dx
dn
n
Tk
dx
dUeeE
Tk
eD
dx
dn
n
eDeE
cDjdx
dneDjEnej
B
BB
B
… Das elektrochemische Potential der Elektronen hat im Gleichgewichtzustand (bei Stromlosigkeit) überall den gleichen Wert.
Diffusionsstrom
Feldstrom
![Page 13: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/13.jpg)
13
p-n Gleichrichter (Diode)
Elektronen Löcher
const.ln ne
TkU B const.ln p
e
TkU B
Potentialsprung
rechts
links
links
rechtsrechtslinks0 lnln
p
p
e
Tk
n
n
e
TkU BB
Ohne Spannung
0DiffFeld
0FeldDiff
jjj
jjj
Mit Spannung
1exp
;exp
exp;ln
0
0Diff0Feld
Tk
eUjj
jjTk
eUjnevj
Tk
Uenn
e
TkU
B
B
B
B
![Page 14: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/14.jpg)
14
Halbleiterdiode (Gleichrichter)
U
I
![Page 15: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/15.jpg)
15
Zener DiodeGenutzt wird die Sperrrichtung
Ionisationsprozess:
Lawinenartiger Anstieg des elektrischen Stroms
Freie Elektronen sind im Spiel
![Page 16: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/16.jpg)
16
Photodiode (Solarzelle)
Eg
Eg [eV] [m]
Ge 0.7 1.8Si 1.1 1.1GaAs 1.5 0.83
![Page 17: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Tunnel Diode
![Page 18: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/18.jpg)
18
Transistor
Transistor ohne externe Spannung
E CB
2 Potentialbarrieren
![Page 19: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/19.jpg)
19
Transistor
n p n
Potential-barriere
Beschleunigung im elektrischen Feld
Verstärker
![Page 20: Halbleiterbauelemente](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062519/56814fde550346895dbda6f2/html5/thumbnails/20.jpg)
20
Bauelemente in hybriden Schaltkreisen
Widerstand: Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Dotierung im p-BereichKondensator: Andere elektrische Ladung im p- und im n-Bereich, dazwischen Isolator
(Dielektrikum)
TechnologieAusgangsmaterial: SiO2 Si Czochralski Methode (Si-Einkristalle)
Diffusionsprozess: Diffusion von Phosphor (n) oder Bor (p) in Si. Maske – SiO2.