Elektronische Halbleiter: Eine Einführung in die Physik der Gleichrichter und Transistoren

406 Pages·1956·16.921 MB·German

by  Dr. Eberhard Spenke (auth.)

Elektronische Halbleiter
Eine Einführung in die Physik
der Gleichrichter und Transistoren
Von
Dr. Eberhard Spenke
Pretzfeld / Oberfranken
Berichtigter Neudruck
Mit 186 zum Teil mehrfarbigen Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
1956
ISBN 978-3-662-23766-3 ISBN 978-3-662-25869-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-25869-9
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©Springer-Verlag Berlin Beideiberg 1955, 1956
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag OBG. Berlin I Gottingen I Beideiberg 1956
Softcoverreprint ofthe hardcoverIst edition 1956
Walter Schottky und Max Steenbeck
in Verehrung und Freundschaft
gewidmet
a*
Geleitwort.
Die vorliegende Einführung in die Halbleitertheorie ist aus einer
Reihe von Vorträgen entstanden, die mein Freund und Mitarbeiter
E. SPENKE auf Physikertagungen und vor jüngeren Fachkollegen aus
der Industrie über die Grundlagen der Halbleiterphysik, besonders im
Hinblick auf Gleichrichter- und Transistorprobleme, gehalten hat. Die
Aufnahme, die diese Vorträge gefunden haben, zeigte, daß trotz des
bekannten schönen Buches von SHOCKLEY in Deutschland noch ein
echtes Bedürfnis nach einer geschickten Einführung in die Grundlagen
besteht, wobei als besonderer Vorzug der SPENKEschen Darstellung die
auch für den Anfänger verständliche Entwicklung der praktisch wesent
lichen Beziehungen aus genau umschriebenen Ausgangsbegriffen und
Voraussetzungen empfunden wurde; das unangenehme Gefühl des
"Schwimmens" bleibt den Zuhörern SPENKEscher Vorträge erspart.
Die vorliegende Zusammenfassung dieser Vorträge weist diese Vor
züge im erhöhten Maße auf, wobei darauf geachtet ist, daß die Vorträge I
bis V für die an den jeweilig speziell behandelten Problemen besonders
interessierten jungen Fachkollegen auch einzeln gut lesbar sind. Es
handelt sich hierbei zunächst um die auch für die allgemeine Halbleiter
theorie (also etwa für den Glühkathoden-, Lumineszenz- oder Photo
leitungs-Physiker) wichtigen Themen:
I. Der Leitungsmechanismus in elektronischen Halbleitern,
II. Störstellen, Störstellenmodelle und Störstellenreaktionen,
III. Das Defektelektron.
Weitere Vorträge geben die Grundlagenzweier Anwendungsgebiete:
IV. Die Wirkungsweise von Kristallgleichrichtern,
V. Die physikalische Wirkungsweise von Kristallverstärkern,
wobei zu IV. die eigene Mitarbeit von Herrn SPENKE an den grund
legenden Veröffentlichungen dieses Gebietes allgemein bekannt ist.
Ist somit dieser erste Teil des vorliegenden Buches eine Lektüre, die,
wie ich hoffe, auch dem Anfänger, sofern er allgemein-physikalisch
einigermaßen orientiert ist, eine feste Grundlage zur Behandlung der
technisch wichtigsten Halbleiterprobleme geben wird, so ist der zweite
Teil für "Fortgeschrittenere" gedacht, die sich über die im ersten Teil
benutzten Grundlagen gewissenhaft orientieren und an den viAlen hier
VI Geleitwort.
noch offenen Problemen klärend weiter arbeiten wollen. Es handelt sich
hierbei um die Kapitel:
VI. Näherungsmethoden in der Quantenmechanik des Wasser
stoffmoleküls,
VII. Das Bändermodell,
VIII. Fermistatistik der Kristallelektronen,
IX. Die dynamische Auffassung von Störstellengleichgewichten
und die Trägheit von Störstellenreaktionen,
X. Randschichten in Halbleitern und der Kontakt Halbleiter
Metall.
Für alle diese Probleme existieren gewiß auch in der Buchliteratur
(besonders der ausländischen) schon gute zusammenfassende Darstel
lungen; abgesehen von dem SnocKLEYschen Buch, das wesentlich die
Transistorenphysik behandelt, wird sich aber der Lesende heute noch
die Grundlagen aus einer ganzen Reihe von Einzeldarstellungen zusam
mensuchen müssen, unter denen die klassische BETHE-SOMMERFELDsche
Arbeit im GEIGER/SCHEEL-Handbuch XXIV, 2 wohl mit an erster Stelle
zu nennen ist. Gerade diese Darstellung ist aber noch wesentlich auf
die Physik der Metallelektronen zugeschnitten und gibt außerdem nur
mit den übrigen Handbuchartikeln zusammen eine in den Einzelheiten
verständliche Einführung. Die neuen Akzente und Überlegungen, die
in der Halbleitertheorie seit 1931 aufgetreten sind, wird man natürlich
in dieser älteren Darstellung vermissen.
Die Gründlichkeit und der realistische Sinn des Verfassers bieten für
diesen zweiten, in tiefere Regionen eindringenden Teil des Buches die
Gewähr, daß die vorhandenen Grenzen des Erkennens nirgends ver
schwiegen, innerhalb dieser Grenzen aber die verständlichen Über
legungen und Schlüsse in zuverlässiger Weise entwickelt und bewiesen
werden. Besonders hervorzuheben ist hier vielleicht die sorgfältige
Behandlung des Beschleunigungsproblems der Elektronen in VII, § 6,
des ZENER-Effekts in VII, § 7 und § 9 und in Kap. VIII der durch elektro
statische Potentialwirkungen modifizierten Statistik und Kinetik der
Elektronen, die die Bedeutung von deren Fermipotential auch für die
Stromprobleme der Diffusionstheorie erkennen läßt und auf den Zusam
menhang mit dem allgemeinen elektrochemischen Potential geladener
Teilchen hinweist, dessen Gradient als treibende Kraft im Konzentra
tions- und Potentialgefälle die Feldstärke der Homogentheorie ersetzt.
Mit Hilfe dieser Begriffe läßt sich dann auch, in Kap. X, die Diffusions
theorie der MetallfHalbleiter-Randschichten übersichtlicher begründen
und entwickeln, als man sie sonst häufig vorgetragen findet.
Sollte ich den Kreis der Leser umschreiben, für den die Lektüre
dieses 2. Teiles von Nutzen sein kann, so möchte ich hier, außer den
Geleitwort. VII
in der Industrieforschung dieses Gebietes tätigen Kollegen, an alle
jüngeren Wissenschaftler denken, die sich an der Behandlung der in
Front liegenden Halbleiterprobleme unserer Zeit aufnehmend und mit
arbeitend beteiligen wollen. Die vielfachen Beziehungen der Halbleiter
physik zu den verschiedensten Nachbargebieten verlangen hier die
Zusammenarbeit von theoretischen und Experimentalphysikern, physi
kalischen und anorganischen Chemikern, Kristallographen und Elektro
technikern. Ich denke, daß sich für alle diese Spezial-Fachleute im
2. Teil des SPENKEschen Buches Darstellungen finden werden, die ihr
Allgemeinwissen auf dem Halbleitergebiet nach gewissen Richtungen hin
ergänzen, so daß ich auch für die theoretische und praktische Weiter
entwicklung des Gebietes, die an sich natürlich nicht das Ziel einer
solchen Veröffentlichung sein kann, eine befruchtende Wirkung von der
vorliegenden zusammenfassenden Darstellung erhoffe.
Erwähnt sei noch, daß die SPENKEsche Nomenklatur sich der inter
national bevorzugten eng anschließt, so daß das Buch auch für inter
essierte ausländische Kollegen ohne die gefürchtete Leerlaufarbeit einer
allgemeinen Bezeichnungstransformation bequem lesbar sein dürfte.
Meine besten Wünsche begleiten das Buch auf seinem Wege!
Pretzfeld, den 11. Februar 1954.
W. Schottky.
Vorwort.
Die ersten Schritte in das Labyrinth der Halbleiterphysik durfte ich
seinerzeit unter der Führung von W ALTER ScHOTTKY tun, und nun hat
der Mentor von damals in dem vorangehenden Geleitwort mit so freund
lichen Worten den Leserkreis gekennzeichnet, für den die folgende Ein
führung in die Physik der elektronischen Halbleiter von Nutzen sein
mag. Es sind also nicht routinierte Halbleiterfachleute, sondern "An
fänger" und "Fortgeschrittenere", an die sich das Buch wendet, und
deshalb ist es vielleicht angebracht, wenigstens einen Teil derjenigen
Themen und Probleme aufzuzählen, die ebenfalls zu den Grundlagen der
elektronischen Halbleiterphysik gehören, die aber im vorliegenden Buch
nicht behandelt worden sind. Es handelt sich unter anderem um fol
gende, bei der heutigen Entwicklung des Halbleitergebietes im Vorder
grund stehende Probleme:
Die Versuch~, über die bisherigen Einelektronennäherungen hinaus
den Festkörper wirklich als Vielelektronenproblem zu behandeln.
Die Theorie der freien Weglänge mit dem schwierigen Problem der
Energie- und Impulsübertragung zwischen Leitungselektronen und
Gitter.
Exzitonen und Polaronen, Plasmawechselwirkung und Vielfachstöße.
Leitungsvorgänge in einem Störleitungsband, die in hochdotierten
Halbleitern oder bei sehr tiefen Temperaturen zum Vorschein kommen
können, weil sie unter diesen Bedingungen nicht mehr von den gewohnten
Vorgängen im normalen Leitungsband verdeckt werden.
Die Halbleiteroptik, die Physik der Phosphore und der Photoeffekt.
Titanate, Spinelle und Ferrite.
Grenzfrequenzen bei Gleichrichtern und Transistoren.
Wenn auf alle diese interessanten Themen nicht eingegangen wurde,
dann erhebt sich natürlich die Frage nach denjenigen Tendenzen und
Absichten des Autors, denen die Behandlung dieser wichtigen Probleme
zum Opfer fiel. Die Antwort besteht im Hinweis auf die ausschließlich
pädagogischen Ziele, die mit dem vorliegenden Buche verfolgt werden.
Die Halbleiterelektronik bedarf zu ihrer Grundlegung vor allem der
Wellenmechanik und Statistik, aber auch Kristallographie, Thermo
dynamik und Chemie sind dabei beteiligt und überhaupt "ist es unglaub
lich, welche elende Menge von Nachdenken und Mathematik man
Vorwort. IX
braucht, um in der Halbleiterphysik auch nur das allereinfachste Hand
werkszeug zum täglichen Gebrauch zusammen zu haben" (W. SoHOTTKY
in einem Gespräch mit dem Verfasser).
Hier versucht die folgende Einführung zu helfen und so kam es dem
Verfasser nicht auf die Behandlung der oben genannten aktuellen Pro
bleme an, sondern auf die möglichst leicht verständliche, trotzdem aber
exakte Behandlung von Grundbegriffen und Grundgleichungen, über die
im allgemeinen um so schneller hinweggegangen zu werden pflegt, je
vertracktere Fragestellungen sich dabei unter einer simplen äußeren
Form verbergen. In einem Beispiel werden die verfolgten Tendenzen
und Methoden vielleicht noch deutlicher werden.
Einer so einfachen Gleichung wie GI. (IX 1.01)
dN8 = __l _Ns
dt TRel
wird ein ganzer Paragraph gewidmet. In den üblichen Darstellungen
wird dagegen diese Gleichung ohne weitere Begründung gebracht und
dazu ·höchstens bemerkt, daß TRel hierbei die mittlere Lebensdauer der
Teilchensorte S ist. Dabei fällt gänzlich unter den Tisch, welche stati
stischen Probleme mit dem Begriff der mittleren Lebensdauer ver
bunden sind, und die Begriffe mittlere Lebensdauer, mittlere Lebens
erwartung und Relaxationszeit werden häufig nicht getrennt. Im vor
liegenden Buch werden derartige Spezialprobleme ebenfalls nicht in
extenso behandelt, der Leser soll aber zumindest auf das Vorhandensein
dieser Fragestellungen hingewiesen werden.
Einer ganzen Reihe freundlicher Helfer ist für wertvolle Unter
stützung zu danken. An erster Stelle sind hier einige Pretzfelder Kollegen
zu nennen, nämlich Herr Dr. ARNULF HoFFMANN, Herr Dr. ADOLF
HERLET und Herr Dipl. Phys. HuBERT PATALONG. Jedes frisch geschrie
bene Kapitel wurde mit diesen drei Herren intensiv durchdiskutiert und
allen Dreien verdankt der Verfasser eine Unzahl von wertvollen Ver
besserungsvorschlägendes Textes und der Abbildungen. Herr Professor
HELMUT VoLz und Herr Dr. HERMANN HAKEN (Universität Erlangen)
halfen mit einer ausführlichen "Übersetzung" der ursprünglichen
REISENBERGsehen Arbeit über das Defektelektron in die Sprache der
"normalen" Wellenmechanik. Herr Dr. HERMANN HAKEN hat weiter
eine Reihe von Rechnungen durchgeführt, die dem § 11 von Kap. VII
zugrunde liegeri. Mit Hilfe von Herrn Dr. DIETER PFIRSOH (Universität
Frankfurt a. M.) wurde eine Bemerkung von Herrn HINTENHERGER
über den Begriff der effektiven Masse eines Kristallelektrons quantitativ
bestätigt, was seinen Niederschlag in Vortrag III, § 2 und in Kap. VII,
§ 6 fand. Autoren- und Sachregister verdanke ich wieder Herrn PATA
LONG, der auch die Hauptlast der Korrekturen trug, zusammen mit
X Vorwort.
DR. ÜTFRIED MADELUNG, DR. BERNHARD SERAPHIN und cand. phys.
CLAUS FREITAG. Bei der Herstellung des Manuskripts war die uner
müdliche Einsatzbereitschaft von Fräulein AuRELIE BATHELT von
unschätzbarem Wert. Allen diesen freundlichen Helfern sei hier noch
mals herzliehst gedankt. Zum Schluß darf nicht unerwähnt bleiben,
daß ich ohne die dauernde Geduld und die unausgesetzte Ermutigung
durch meine Frau wohl kaum zu einem guten Ende gekommen wäre.
Pretzfeld, im November 1954.
Eberhard Spenke.
Vorwort zum berichtigten Neudruck.
Die freundliche Aufnahme, die die "Elektronischen Halbleiter" in
der Fachwelt gefunden haben, macht bereits heute einen Neudruck
notwendig. Dabei wurde eine Reihe von Druckfehlern ausgemerzt. Vor
allem konnte aber mit Hilfe des Anhangs III eine Inkorrektheit be
seitigt werden, die sich in Kapitel VIII bei der Statistik der Störstellen
halbleiter eingeschlichen hatte und auf die der Verfasser durch die Kritik
von D. A. WRIGHT (Wembley, England) dankenswerterweise aufmerksam
gemacht worden ist.
Pretzfeld, im April 1956.
Eberhard Spenke.