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
20
Embed
1 Halbleiterbauelemente Kontakt Metall-Halbleiter Gleichrichter (Schottky-Kontakt oder Schottky-Barriere) Ohmscher Kontakt p – n Gleichrichter Zener Diode.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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
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
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)
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
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
11
p-n Gleichrichter (Diode)
Im Gleichgewicht (ohne externe Spannung)
Diode unter Spannung
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
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
14
Halbleiterdiode (Gleichrichter)
U
I
15
Zener DiodeDie Sperrrichtung wird genutzt
Ionisationsprozess
Lawinenartiger Anstieg des elektrischen Stroms
Freie Elektronen sind im Spiel
16
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
17
Tunnel D
iode
18
Transistor
Transistor ohne externe Spannung
E CB
2 Potentialbarrieren
19
Transistor
n p n
Potential-barriere
Beschleunigung im elektrischen Feld
Verstärker
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.