Einführung

Das Buch Physik der Halbleiter-Bauelemente ist in fünf Teile gegliedert:

Teil I

Kapitel 1 ist eine Zusammenfassung der Grundlagen der Halbleiterphysik und der Eigenschaften viel verwendeter Halbleiter. Es dient als Grundlage für das Verständnis und die Berechnung der Eigenschaften von Halbleiterbauelementen, Energiebändern und Ladungsträgerkonzentrationen. Transporteigenschaften von Ladungsträgern in Halbleitern werden ebenfalls kurz diskutiert, wobei der Schwerpunkt auf den beiden wichtigsten Halbleitern - Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs) - liegt. Als bequeme Referenz gibt es eine Zusammenstellung der zugehörigen Materialparameter in den Abbildungen in Kap. 1 und in den entsprechenden Anhängen des Buches.

Teil II

Dieser Teil des Buches behandelt die grundlegenden Strukturen von Halbleiterbauelementen. Kapitel 2 behandelt den p-n-Übergang, welcher den Grundbaustein der meisten Halbleiterbauelemente darstellt. Die Theorie des p-n-Übergangs dient als Grundlage der Physik fast aller Halbleiterbauelemente. Heteroübergänge, d. h. Verbindungen zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitern, werden ebenfalls behandelt. Ein typisches Beispiel ist hier der Galliumarsenid-Aluminiumarsenid (AlAs)-Heteroübergang. Dieser Heteroübergang ist eine der wichtigsten Grundstrukturen für Hochgeschwindigkeits- und optoelektronische Bauelemente. Kapitel 3 behandelt Metall-Halbleiter-Kontakte. Der Metall-Halbleiter-Kontakt kann ähnlich wie ein p-n-Übergang behandelt werden, wenn der Halbleiter mäßig dotiert ist. Er wird jedoch ohmsch, wenn der Halbleiter sehr stark dotiert ist. Ein ohmscher Kontakt leitet Strom in beide Richtungen, wobei die über dem Kontakt abfallende Spannung vernachlässigbar ist. Ohmsche Kontakte stellen fast immer die notwendigen Verbindungen zwischen Bauelementen und der Außenwelt dar. Kapitel 4 behandelt den Metall-Isolator-Halbleiter (MIS)-Kondensator. Metall-Oxid-Halbleiter (MOS)-Strukturen auf Si sind die dominierenden Elemente in allen modernen Transistoren. Die Kenntnisse der Oberflächenphysik, die mit dem MOS-Kondensator verbunden sind, sind nicht nur für das Verständnis von MOS-bezogenen Bauelementen wie dem MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET) und dem "Floating-Gate"-Speicher wichtig, sondern auch wegen ihrer Bedeutung für die Stabilität und Zuverlässigkeit aller anderen Halbleiterbauelemente und ihrer Oberflächen- und Isolationsbereiche.

Teil III

Kapitel 5-8 befassen sich mit der Familie der Transistoren und nicht flüchtigen Speicher. Kapitel 5 behandelt den Bipolartransistor, d. h. das Zusammenspiel zwischen zwei eng gekoppelten p-n-Übergängen. Der Bipolartransistor ist eines der wichtigsten klassischen Halbleiterbauelemente, weil er als Haupttechnologie die treibende Kraft der dritten industriellen Revolution (1947-2000) darstellte.1) Er ermöglichte die Entwicklung von Computern, Mikrochips, Satelliten usw. Kapitel 6 betrachtet den MOSFET, das wichtigste Bauelement für fortgeschrittene integrierte Schaltungen wie Mikroprozessoren und DRAMs (dynamische Direktzugriffsspeicher). Kapitel 7 behandelt den nicht flüchtigen Halbleiterspeicher, insbesondere den Floating-Gate-Speicher, der der wichtigste Technologiemotor der vierten industriellen Revolution war und die Entwicklung der globalen Kommunikation (Mobiltelefone), künstlicher Intelligenz, die Verarbeitung großer Datenmengen, Cloud Computing, Internet der Dinge, Robotik und Massenspeicher aus Halbleitern ermöglichte. Kapitel 8 behandelt drei weitere Feldeffekttransistoren; den Feldeffekttransistor mit p-n-Übergang (JFET), den Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET) und modulationsdotierte Feldeffekttransistoren (MODFETs). Der JFET ist ein älteres Mitglied der Transistorfamilie und wird nun hauptsächlich als Leistungsbauteil verwendet, während MESFETs und MODFETs in Hochgeschwindigkeitsverstärkern mit hoher Eingangsimpedanz und monolithischen integrierten Mikrowellenschaltungen Verwendung finden.

Teil IV

Kapitel 9-11 behandeln Bauelemente mit negativen Widerstand und Leistungsbauelemente. In Kap. 9 diskutieren wir die Tunneldiode (ein stark dotierter p-n-Übergang) und die resonante Tunneldiode (eine Doppelbarrierenstruktur, die aus mehreren Heteroübergängen besteht). Diese Bauelemente weisen negative differenzielle Widerstände auf, die auf quantenmechanische Tunnelprozesse zurückzuführen sind. Sie können zur Mikrowellenerzeugung oder als funktionelle Bauteile dienen, d. h., es kann damit eine bestimmte Schaltungsfunktion mit einer stark reduzierten Anzahl von Komponenten realisiert werden. In Kap. 10 werden Bauelemente, die mit der Laufzeit von Elektronen arbeiten, und "transferred electron devices" (Elektronentransfer in andere Leitungsbänder oder in einen anderen räumlichen Bereich innerhalb des Bauelements) diskutiert. Wird ein p-n-Übergang oder ein Metall-Halbleiter-Übergang im Lawinendurchbruch betrieben, so bekommt man unter geeigneten Bedingungen eine IMPATT-Diode, welche die höchste Dauerstrich (CW)-Ausgangsleistung aller Halbleiterbauelemente im Millimeterwellenbereich (d. h. über 30 GHz) besitzt. Mikrowellen können aber auch durch einen Elektronentransfer im Leitungsband aus einem Tal mit niedrigerer Energie und hoher Beweglichkeit in ein Tal mit höherer Energie (im Impulsraum), aber niedrigerer Beweglichkeit erzeugt werden (engl. transferred-electron effect). Der Thyristor, der im Wesentlichen aus drei eng gekoppelten p-n-Übergängen in Form einer p-n-p-n-Struktur besteht, wird in Kap. 11 diskutiert. Außerdem wird noch der MOS-gesteuerte-Thyristor betrachtet, der eine Kombination aus MOSFET mit einem konventionellen Thyristor und dem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT, eine Kombination aus MOSFET mit einem herkömmlichen bipolaren Transistor) darstellt. Diese Bauelemente haben eine breite Palette der Belastbarkeit und Schaltfähigkeit und können Ströme zwischen einigen Milliampere bis Tausenden von Ampere und Spannungen bis über 6000 V verarbeiten.

Teil V

Kapitel 12-14 behandeln optoelektronische (photonische) Bauelemente und Sensoren. Optoelektronische Bauelemente können optische Energie erkennen, erzeugen und in elektrische Energie umwandeln oder umgekehrt. Die Halbleiterlichtquellen, wie Leuchtdioden (LED) und Laser, werden in Kap. 12 diskutiert. LEDs haben eine Vielzahl von Anwendungen als Anzeigeelemente in elektronischen Geräten, Ampeln und als Beleuchtungseinrichtungen wie Haushaltslampen, Taschenlampen und Autoscheinwerfern. Halbleiterlaser sind in der Glasfaserkommunikation, bei Videoplayern und beim Hochgeschwindigkeitslaserdruck in Verwendung. Verschiedene Photodetektoren mit hoher Quantene?zienz und hoher Ansprechgeschwindigkeit werden in Kap. 13 diskutiert. Das Kapitel behandelt auch Solarzellen zur kommerziellen Stromerzeugung. Da der weltweite Energiebedarf steigt und fossile Brennstoffe die globale Erwärmung verursachen, müssen dringend Alternativen entwickelt werden. Die Solarzelle wird hier als ein wichtiger Kandidat betrachtet, weil sie Sonnenlicht direkt in Elektrizität mit gutem Wirkungsgrad umwandeln kann, eine sehr lange Lebensdauer und niedrige Betriebskosten hat sowie praktisch nicht umweltschädlich ist. Kapitel 14 behandelt wichtige Halbleitersensoren. Ein Sensor ist definiert als ein Bauelement, das ein externes Signal erkennen oder messen kann. Es gibt grundsätzlich sechs Arten von Signalen: elektrische, optische, thermische, mechanische, magnetische und chemische Signale. Sensoren können uns Informationen über diese Signale liefern, die sonst nicht direkt von menschlichen Sinnen wahrgenommen werden. Ausgehend von der Definition von Sensoren sind alle traditionellen Halbleiterbauelemente Sensoren, da sie immer auf "irgendwelche" externe Einflüsse reagieren und elektrische Eingänge und Ausgänge haben, an denen dieser Einfluss beobachtet werden kann. Sensoren für elektrische Signale werden in den Kap. 2-11 diskutiert und Sensoren für optische Signale in den Kap. 12 und 13. In Kap. 14 beschäftigen wir uns mit Sensoren für die übrigen vier Signaltypen, d. h. für thermische, mechanische, magnetische und chemische Signale.

Wir empfehlen den Lesern, zunächst die Kapitel über Halbleiterphysik (Teil I) und die Grundlagen der Halbleiterbauelemente zu studieren (Teil II), bevor sie zu den weiteren Teilen des Buches übergehen. Jedes Kapitel in den Teilen III-V behandelt ein einzelnes Bauelement oder eine verwandte Bauelementfamilie und ist mehr oder weniger unabhängig von den anderen Kapiteln. Die Leser können das Buch also als Nachschlagewerk einsetzen und Vortragende können die für ihre Klassen wichtigen Kapitel...