Physik der Halbleiterbauelemente
Description
Halbleiterbauelemente sind die Basis integrierter Schaltkreise und damit unentbehrlich für die gesamte Elektronik- und Computerindustrie. Immer höhere Anforderungen an deren Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit erfordern kontinuierliche Forschung und Verbesserung der bestehenden sowie Entwicklung neuer Bauelemente, sowohl von grundlegender als auch von angewandter Seite.
Dieses einzigartige Buch, geschrieben von Pionieren auf dem Gebiet, behandelt sämtliche Aspekte der Physik der Halbleiterbauelemente, die zu deren Verständnis, Betrieb, Weiter- und Neuentwicklung notwendig sind. Nach einem Überblick über die festkörperphysikalischen Grundlagen von Halbleitern widmen sich die Autoren den einfachen Bauelementen auf Basis von p-n-Übergängen, Metall-Halbleiter- und Metall-Isolator-Halbleiter-Kontakten. Im folgenden Teil stehen Transistoren in ihren verschiedenen Ausprägungen (bipolar, MOSFET, JFET, MESFET, MODFET) im Mittelpunkt, gefolgt von Bauelementen mit negativem differentiellem Widerstand wie Tunnel- und IMPATT-Dioden sowie Leistungsbauelementen wie Thyristoren. Der letzte Teil befasst sich mit photonischen Bauelementen wie LEDs, Lasern, Photodetektoren und Solarzellen sowie mit halbleiterbasierten Sensoren.
* Der Goldstandard: der "Sze" ist ein Muss für alle, die sich in Forschung, Entwicklung und Lehre mit Halbleiterbauelementen beschäftigen
* Unerreichte Detailfülle: enthält ausführliche Informationen zur Physik und zum Betrieb aller praktisch relevanten Halbleiterbauelemente, mit 1000 Literaturangaben, 650 technischen Illustrationen und 25 Tabellen mit Material- und Bauelementparametern
* Fördert das nachhaltige Verständnis: enthält zahlreiche Beispiele und Aufgaben, die beim Durchdringen der Physik und der praktischen Auslegung helfen
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Persons
Yiming Li ist Professor an der National Chiao Tung University, Taiwan. In der Abteilung für Elektro- und Computertechnik forscht er zu computerorientierter Elektronik, Bauteilphysik, Halbleiternanostrukturen sowie der Modellierung und Simulation von Schaltkreisen.
Kwok K. Ng ist Senior Director bei der Semiconductor Research Corporation im Research Triangle Park, North Carolina, USA. Zuvor hat er langjährig in Führungspositionen bei Agere Systems, Lucent Technologies, MVC und den Bell-Laboratorien von AT&T gearbeitet.
Content
1 PHYSIK UND EIGENSCHAFTEN VON HALBLEITERN - EIN ÜBERBLICK
1.1 Einführung
1.2 Kristallstruktur
1.3 Energiebänder und Energielücke
1.4 Trägerkonzentration im Wärmeausgleich
1.5 Phänomene des Ladungsträgertransports
1.6 Phononische, optische und thermische Eigenschaften
1.7 Heteroübergänge und Nanostrukturen
1.8 Grundgleichungen und Beispiele
TEIL II BAUELEMENTE
2 P-N-ÜBERGÄNGE
2.1 Einführung
2.2 Erschöpfungsbereich
2.3 Strom-Spannungs-Kennlinien
2.4 Ausfall der Verbindungsstelle
2.5 Transientes Verhalten und Rauschen
2.6 Klemmenfunktionen
2.7 Heteroübergänge
3 METALL-HALBLEITER-KONTAKTE
3.1 Einführung
3.2 Bildung der Barriere
3.3 Aktuelle Transportprozesse
3.4 Messung der Barrierenhöhe
3.5 Vorrichtungsstrukturen
3.6 Ohmscher Kontakt
4 METALL-ISOLATOR-HALBLEITER-KONDENSATOREN
4.1 Einführung
4.2 Idealer MIS-Kondensator
4.3 Silizium-MOS-Kondensator
TEIL III TRANSISTOREN
5 BIPOLARE TRANSISTOREN
5.1 Einführung
5.2 Statische Eigenschaften
5.3 Mikrowellencharakteristik
5.4 Verwandte Vorrichtungsstrukturen
5.5 Heteroübergangs-Bipolartransistor
6 MOSFETs
6.1 Einführung
6.2 Grundlegende Geräteeigenschaften
6.3 Ungleichförmiges Dotierungs- und Buried-Channel-Bauelement
6.4 Geräteskalierung und Kurzkanal-Effekte
6.5 MOSFET-Strukturen
6.6 Schaltungsanwendungen
6.7 Nichtflüchtige Speichergeräte
6.8 Einzelelektronen-Transistor
7 JFETs, MESFETs UND MODFETs
7.1 Einführung
7.2 JFET und MESFET
7.3 MODFET
TEIL IV BAUELEMENTE MIT NEGATIVEM DIFFERENTIELLEN WIDERSTAND UND LEISTUNGSBAUELEMENTE
8 TUNNELBAUELEMENTE
8.1 Einführung
8.2 Tunneldiode
8.3 Zugehörige Tunnelbauelemente
8.4 Resonanztunneldiode
9 IMPATT-DIODEN
9.1 Einführung
9.2 Statische Eigenschaften
9.3 Dynamische Eigenschaften
9.4 Leistung und Effizienz
9.5 Rauschverhalten
9.6 Gerätedesign und -leistung
9.7 BARITT-Diode
9.8 TUNNETT-Diode
10 ELEKTRONEN-ÜBERTRAGUNGS - UND DIREKTRAUM-ÜBERTRAGUNGS-BAUELEMENTE
10.1 Einführung
10.2 Elektronen-Übertragung-Bauelemente
10.3 Direktraum-Übertragungs-Bauelemente
11 THYRISTOREN UND LEISTUNGSBAUELEMENTE
11.1 Einführung
11.2 Thyristorkennlinien
11.3 Thyristorvarianten
11.4 Andere Stromversorgungsgeräte
TEIL V PHOTONISCHE BAUELEMENTE UND SENSOREN
12 LEDs UND LASER
12.1 Einführung
12.2 Strahlungsübergänge
12.3 Leuchtdiode (LED)
12.4 Laserphysik
12.5 Betriebsmerkmale des Lasers
12.6 Speziallaser
13 PHOTODETEKTOREN UND SOLARZELLEN
13.1 Einführung
13.2 Fotoleiter
13.3 Fotodioden
13.4 Lawinenphotodiode
13.5 Fototransistor
13.6 Ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD)
13.7 Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektor
13.8 Quantenwellen-Infrarot-Photodetektor
13.9 Solarzelle
14 SENSOREN
14.1 Einführung
14.2 Thermosensoren
14.3 Mechanische Sensoren
14.4 Magnetische Sensoren
14.5 Chemische Sensoren
ANHÄNGE
A. Liste der Symbole
B. Internationales Einheitensystem
C. Einheiten-Präfixe
D. Griechisches Alphabet
E. Physikalische Konstanten
F. Eigenschaften wichtiger Halbleiter
G. Eigenschaften von Si und GaAs
H. Eigenschaften von SiO und Si3N
Einführung
Das Buch Physik der Halbleiter-Bauelemente ist in fünf Teile gegliedert:
Teil I: Halbleiterphysik Teil II: Grundstrukturen der Halbleiterbauelemente Teil III: Transistoren Teil IV: Bauelemente mit negativem Widerstand und Leistungsbauelemente Teil V: Optoelektronische Bauelemente und SensorenTeil 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...
