Halbleiterbauelemente: Band I Halbleiter und Halbleiterdioden PDF
Preview Halbleiterbauelemente: Band I Halbleiter und Halbleiterdioden
W. GUGGENBÜHL IM. J. 0. STRUTT I W. WUNDERLIN HALBLEITERBAUELEMENTE LEHR- UND HANDBÜCHER DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN BAND 25 HALBLEITER BAUELEMENTE von WALTER GUGGENBÜHL Dr. sc. techn., Privatdozent an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich MAX J. 0. STR UTT Dr. techn., Dr.-Il)g. e.h., Ordentlicher Professor und Vorsteher des Instituts für Höhere Elektrotechnik der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich WILLY WUNDERLIN dipl. El.-Ing. ETH, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Höhere Elektrotechnik der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich Band I Halbleiter und Halbleiterdioden 1962 Springer Basel AG Nachdruck verboten Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen und der Reproduktion auf photostatischem Wege oder durch Mikrofilm verboten. @ Springer Basel AG 1962 Ursprünglich erschienen bei Birkhäuser Verlag Basel1962. Softcover reprint of the bardeover 1st edition 1962 ISBN 978-3-0348-6855-6 ISBN 978-3-0348-6854-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-0348-6854-9 5 VORWORT Seit 1948, dem Jahr der Entdeckung des Transistoreffektes, hat die Halb leitertechnik einen grossen Aufschwung erlebt. Ein immer grösserer Kreis der in der Elektronik und den angrenzenden Gebieten Tätigen kommt mit Halbleiterbauelementen in Berührung und hat sich mit deren Grundlagen und Eigenschaften zu befassen. Während im englischen Sprachgebiet bereits zahlreiche Bücher über dieses Fachgebiet erschienen sind, weist das betref fende deutsche Schrifttum noch verhältnismässig wenig zusammenfassende Darstellungen auf. Wir glauben deshalb, mit dem vorliegenden Buch über die Eigenschaften der Halbleiterbauelemente eine gewisse Lücke ausfüllen zu helfen. Die ersten Arbeiten zu diesem Band liegen schon einige Jahre zurück. Es mussten daher im Laufe der Zeit etliche Teile der ursprünglichen Manu skripte umgearbeitet und ergänzt werden. Dabei war es unvermeidlich, eine grosse Zahlneuerer Untersuchungen von Detailproblemen etwas kürzer zu besprechen als Beiträge älteren Datums. Die zahlreichen Literaturzitate er leichtern jedoch dem interessierten Leser den Zugang zu diesen Spezial arbeiten. Das rasche Anwachsen des zu verarbeitenden Stoffes hatte ausser dem zur Folge, dass ein ursprünglich geplanter dritter Hauptabschnitt über Transistoren für einen zweiten Band zurückgestellt werden musste. Auch das Rauschen von Halbleiterbauelementen soll dort behandelt werden. Der vorliegende erste Band ist den Eigenschaften der Halbleiter und Halbleiterdioden gewidmet. Massgebend für die Darstellung des Stoffes war das Ziel, die wichtigsten Begriffe der Halbleiterphysik und die Wirkungs weise der Dioden in einer für Ingenieure verständlichen Form zu beschreiben. Die physikalischen Grundlagen der Halbleiter sind dabei nur soweit bespro chen, als zum Verständnis der Transport- und Speicherprozesse in Dioden und Transistoren erforderlich ist. Im ersten Kapitel wird zur Erläuterung des Leitungsmechanismus sowohl ein atomistisches Modell als auch das Energie bändermodell behandelt. Bei den Dioden ist auf die formale Berechnung mit Hilfe der sogenannten Quasi-Fermi-Niveaus verzichtet, und die anschau lichere Methode der inneren elektrostatischen Potentiale und Quasi-Gleich gewichtszustände in Gasen vorgezogen werden. Bei der Ausarbeitung des Manuskriptes, der Anfertigung der Figuren und der Korrektur des Textes haben uns zahlreiche Mitarbeiter des Institutes für Höhere Elektrotechnik der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, insbesondere die Herren Dr. R. VUILLEUMIER, dipl. Ing. H. MEL CHIOR, dipl. Ing. F. K. REINHART und dipl. Phys. M. SANCHEZ in dankens werter Weise unterstützt. Den Firmen AG Brown, Boveri & Cie., Siemens & 6 Vorwort Halske AG und Texas Instruments Inc. sei auch an dieser Stelle für die uns zur Verfügung gestellten Unterlagen bestens gedankt. Dem Birkhäuser V erlag sind wir für die verständnisvolle Berücksichtigung zahlreicher Wünsche und für die vorbildliche Gestaltung des Bandes zu besonderem Dank verpflichtet. Zürich, Juni 1962 Die Verfasser INHALTSVERZEICHNIS Symbolverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1 Eigenschaften der Halbleiter ................................. . 17 1.1 Was sind Halbleiter ............................................. . 17 1.2 Qualitative Beschreibung des Leitungsmechanismus in Halbleitern ....... . 18 1. 2.1 Die elektrische Leitfähigkeit eines Festkörpers. Der Begriff «Beweglich- keit & eines Ladungsträgers ...................................... . 18 1.2.2 Die Eigenleitung von Halbleiterkristallen .......................... . 19 1. 2. 3 Störstellenleitung in Halbleitern, Donoren, Akzeptoren, n-Leitung, p-Leitung ..................................................... . 21 1.3 Das Bändermodell der Halbleiter ................................... . 26 1.3.1 Der Begriff Energieband. Aussagen des Bändermodells über den Lei- tungstyp eines Festkörpers ...................................... . 26 1. 3. 2 Bändermodelle der Halbleiter .................................... . 28 1.4 Quantitative Behandlung einiger Halbleitereigenschaften im thermodyna- mischen Gleichgewicht ........................................... . 30 1.4.1 Das freie Elektronengas ......................................... . 31 1.4.2 Das nichtentartete Elektronengas im Kristall ....................... . 36 1.5 Die Beweglichkeit der Ladungsträger ............................... . 43 1.6 Nichtgleichgewicht der Trägerkonzentrationen. Charakteristische Zeiten .. . 50 1. 6.1 Abweichungen der Majoritätsträgerkonzentration von der Gleichge- wichtskonzentration. Die dielektrische Relaxationszeit ............... . 50 1.6.2 Abweichung der Minoritätsträgerkonzentration von der Gleichgewichts konzentration. Neuerzeugung und Rekombination von Trägern. Die Lebensdauer der Minoritätsträger ................................ . 52 1.7 Diffusionsströme in Halbleitern ................................... . 57 1.8 Strom-und Kontinuitätsgleichungen ................................ . 60 1.9 Oberflächeneffekte bei Halbleitern .................................. . 63 1. 9.1 Modellvorstellungen für die Vorgänge an der Oberfläche ............. . 63 1. 9.2 Die Oberflächenrekombination ................................... . 67 1.10 Die Erzeugung fehlerfreier Halbleiterkristalle ........................ . 69 2 Eigenschaften der Halbleiterdioden ........................... . 77 2.1 Der p-n-Vbergang bei kleinen Stromdichten und vernachlässigbarer Rekom- bination in der Sperrschicht ...................................... . 77 2.1.1 Wirkungsweise und Modellvorstellungen .......................... . 77 2.1. 2 Zusammenhang zwischen Ladungsträgerkonzentration und Spannung über der Sperrschicht ........................................... . 85 2.1.3 Die Konzentration der Minoritätsträger in den Bahngebieten ......... . 88 2.1.4 Diodenkennlinie und Diffusionsadmittanz .......................... . 90 2.1.5 Sperrschichtdicke und Sperrschichtkapazität ...................... . 95 2.1.6 Leitfähigkeitsmässig unsymmetrische p-n-Übergänge ............... . 102 2.1. 7 Vollständiges Ersatzschaltbild eines p-n-Übergangs bei kleinen Strom- dichten ......................•................................. 103 8 Inhalt 2.1.8 Zweidimensionales Modell eines p-n-Übergangs ..................... . 105 2.2 Abweichungen vom einfachen Diffusionsmodell des p-n-Übergangs ....... . 106 2.2.1 Einleitung .................................................... . 106 2.2.2 Oberflächeneffekte ............................................. . 108 2.2.3 Berücksichtigung der Neuerzeugung und Rekombination in der Sperr- schicht. Siliziumdioden ......................................... . 108 2.2.4 Der p-n-Übergang bei hohen Stromdichten ........................ . 112 2. 2. 4. 1 Die Gleichstromkennlinie ............................... . 112 2.2.4.2 Das Wechselstromverhalten .............................. . 120 2. 3 Sehr hoch dotierte p-n-Übergänge. Tunneldioden ..................... . 124 2. 3. 1 Der Tunneleffekt .............................................. . 124 2. 3. 2 Transportvorgänge in Tunneldioden ............................... . 127 2. 3. 3 Kennlinien und Ersatzschaltbild der Tunneldiode ................... . 133 2. 4 Der p-n-Übergang im Rückwärtsgebiet ............................. . 139 2. 4. 1 Einleitung .................................................... . 139 2.4.2 Durchbruch infolge des Tunneleffektes. Zener-Durchbruch ........... . 141 2. 4. 3 Durchbruch infolge der Trägermultiplikation. Lawinendurchbruch ..... . 144 2. 4. 4 Durchbruch infolge thermischer Instabilität ....................... . 153 2. 5 p-i-n~ und p-s-n-Dioden ......................................... . 154 2. 6 Metall-Halbleiter-Kontakte. Die Erzeugung Ohmscher Kontakte ........ . 156 2. 7 Spitzendioden .................................................. . 160 2. 8 Selen- und Kupferoxydulgleichrichter ............................... . 166 2. 9 Vergleich der Kennlinien verschiedener Gleichrichter .................. . 169 2.10 Sperrschicht-Photoeffekt. Photodioden. Sonnenbatterien ................ . 171 2. ll Die Herstellteng von p-n-Übergängen und Dioden .................... . 175 2. 11. 1 Einleitung .................................................... . 175 2. 11 . 2 Ziehv erfahren ................................................. . 176 2. 11. 3 Legierungsverfahren ............................................ . 178 2 . 11 . 4 Diffusionsverfahren ............................................ . 180 2.11.5 Beispiele für den mechanischen Aufbau ........................... . 184 2.12 Temperaturabhängigkeit der Kennlinien ............................ . 189 2. 12. 1 Einleitung .................................................... . 189 2. 12. 2 Rückwärtssperrgebiet .......................................... . 191 2. 12. 3 Vorwärtsgebiet ................................................. . 195 2.12.4 Durchbruchsgebiet ............................................. . 198 2. 12. 5 Tunneldioden ................................................. . 200 2. 13 Thermische Belastbarkeit, Kühlprobleme und thermische Stabilität ....... . 203 2.14 Schaltverhalten ................................................. . 212 2. 14. 1 Einleitung .................................................... . 212 2. 14. 2 Leerlaufspannung nach dem Abschalten des Vorwärtsstromes ......... . 212 2. 14. 3 Schalten vom Vorwärtsgebiet ins Sperrgebiet ....................... . 21.5 2.14.4 Schalten vom Durchbruchsgebiet ins Sperrgebiet ................... . 22.5 2. 14. 5 Einschaltvorgänge ............................................. . 22.5 2. 14. 6 Schaltverhalten von Tunneldioden ............................... . 226 2. 15 Exemplarsteuerung, Alterungserscheinungen und A usfallhäufigkeit. ..... . 227 Literaturverzeichnis ................................................... . 235 ="amenverzeichnis ..................................................... . 247 Sachverzeichnis ....................................................... . 2.51 9 SYMBOLVERZEICHNIS l. Sämtliche Gleichungen sind Grössengleichungen im rationalen Maßsystem. 2. Schreibweise für a) Einheiten: gewöhnlich (cm, V, W) b) Grössen (skalar): kursiv (I, T, U) c) Operatoren: gewöhnlich (d, div, ~) d) Vektoren: halbfett(D, E, H) e) Zeiger: halbfett kursiv (I, U, z) 3. Spannungen und Ströme sind im allgemeinen mit einem Buchstaben als Index ver sehen. Durch die Anwendung der im folgenden angedeuteten Regel können auf ein fache Weise Momentanwerte, Gleichstromwerte und Wechselanteile unterschieden werden: Grundsymbol: Kleinbuchstabe: Momentan wert. Grossbuchstabe: Wert, der sich aus dem Verhalten über eine bestimmte Zeit ergibt, zum Beispiel Effektivwert, Gleichstromwert. Index: Kleinbuchstabe: Reine Wechselstromkomponente. Grassbuchstabe: Gleichstromkomponente, Totalw ert. Vergleiche auch: Regeln und Leitsätze für Buchstabensymbole und Zeichen, Liste 8f, Publikation SEV 0192, 1959 (Schweizerischer Elektrotechnischer Verein, Zürich 1959), und 56 IRE Standards on Letter Symbols for Semiconductor Devices, Proc. I.R.E. 44, 934-937 (1956). 4. Verzeichnis der wichtigsten Symbole (falls ein Symbol verschiedene Bedeutungen hat, ist es mehrmals aufgeführt). A Querschnitt AX neutraler Akzeptor A- einfach negativ geladener Akzeptor a Gitterkonstante a Steigungsmass der resultierenden Störstellenkonzentration al• a2 Amplitudenwerte B magnetische Induktion b Beweglichkeit der Ladungsträger b' Teilchenbeweglichkeit im Schwerefeld bl, b. Amplitudenwerte bnrift Driftbeweglichkeit bHal! Hall-Beweglichkeit bn Beweglichkeit der Elektronen bno Beweglichkeit der Elektronen bei kleinen elektrischen Feldern bnn Beweglichkeit der Elektronen im n-Material bnp Beweglichkeit der Elektronen im p-Material bp Beweglichkeit der Löcher bpn Beweglichkeit der Löcher im n-Material bpp Beweglichkeit der Löcher im p-Material
The list of books you might like
