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

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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

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

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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

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

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Elektrische Ströme

Diffusionsstrom Driftstrom

Metall Halbleiter

I = 0

Metall Halbleiter

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

TkTCAI

B

MMH

exp2

A … FlächeC … KonstantenT … Temperatur … Affinität … Austrittsarbeit kB … Boltzmann-

KonstanteV … externe

Spannung

Tk

eVTCAI

B

HMHM

exp2

Halbleiter Metall

tbhängigkeiSpannungsastromSättigungs

2

2

1expexp

expexpexp

Tk

eV

TkACTI

TkC

Tk

eV

Tk

eVCATIII

BB

M

B

M

BB

HMMHHM

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

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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

11

p-n Gleichrichter (Diode)

Im Gleichgewicht (ohne externe Spannung)

Diode unter Spannung

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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

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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

14

Halbleiterdiode (Gleichrichter)

U

I

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Zener DiodeDie Sperrrichtung wird genutzt

Ionisationsprozess

Lawinenartiger Anstieg des elektrischen Stroms

Freie Elektronen sind im Spiel

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Photodiode (Solarzelle)

g

g

g

E

hc

hc

E

EhE

1

Eg

Eg [eV] [m]

Ge 0,7 1,8Si 1,1 1,1GaAs 1,5 0,83

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Tunnel D

iode

18

Transistor

Transistor ohne externe Spannung

E CB

2 Potentialbarrieren

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Transistor

n p n

Potential-barriere

Beschleunigung im elektrischen Feld

Verstärker

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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.