Halbleiterbauelemente Kontakt MetallHalbleiter Gleichrichter SchottkyKontakt oder SchottkyBarriere Ohmscher

Halbleiterbauelemente Ø Kontakt Metall-Halbleiter Ø Gleichrichter (Schottky-Kontakt oder Schottky-Barriere) Ø Ohmscher Kontakt Ø p – n Gleichrichter Ø Zener Diode Ø Photodiode (Solarzelle) Ø Tunneldiode Ø Transistor Ø Andere Elemente auf der Basis von Halbleitern (für hybride Schaltkreise) Ø Widerstand Ø Isolator Ø Kondensator 1

Negativ/positiv geladene Oberfläche 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 Potentialbarriere für freie Löcher dar. Usus: die Kanten der Energiebänder werden verzerrt dargestellt, nicht die Fermi-Energie 2

Kontakt: Metall und n-Halbleiter Potentialbarriere Energiebänder von einem Metall und einem n-Typ-Halbleiter (ohne Kontakt) Die Fermi-Energien sind unterschiedlich Ø Ø Elektronen Energiebänder vom Metall und von einem n-Typ-Halbleiter 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) 3

Kontakt: Metall und p-Halbleiter Potentialbarriere Energiebänder: Die Fermi-Energien sind unterschiedlich Elektronen Energiebänder vom Metall und von einem p-Typ-Halbleiter Ø Ø 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) 4

Austrittsarbeit Metalle Material Ag Al Au Be Ca Cs Cu Fe K Li Na Ni Zn [e. V] 4, 7 4, 1 4, 8 3, 9 2, 7 1, 9 4, 5 4, 7 2, 2 2, 3 5, 0 4, 3 Halbleiter Material Diamant Ge Si Sn [e. V] 4, 8 4, 6 3, 6 4, 4 5

Elektrische Ströme Diffusionsstrom Metall Driftstrom Metall Halbleiter – I=0 + I>0 U 6

Driftstrom Sperrrichtung Flussrichtung Die Potentialbarriere wird im äußeren E-Feld höher Die Potentialbarriere wird im äußeren E-Feld niedriger Hindernis für Elektronen Beschleunigung der Elektronen 7

Driftstrom Metall Halbleiter Metall A … Fläche C … Konstanten T … Temperatur … Affinität … Austrittsarbeit k. B … Boltzmann. Konstante V … externe Spannung Gesamtstrom vergrößert 8

Ohmscher Kontakt Elektronen Beispiel: Al / Ge : Al > Si der Kontakt Al / Ge ist gut leitend Technologische Beispiele: Al / Si oder Al / Si. O 2 Al > Si der Kontakt Al / p-Si ist gut leitend der Kontakt Al / n-Si kann jedoch wie ein Gleichrichter funktionieren 9

Ohmscher Kontakt : Al / n-Si n-Halbleiter n+-Schicht Metall Elektronenstrom Tunnel-Effekt Die n+-Schicht muss schmal sein. Problem: Elektrotransport Übertragen von Atomen durch einen hohen Elektronenstrom Lösungen: Al + Cu, Al + Si Beschichtung mit Gold 10

p-n Gleichrichter (Diode) Im Gleichgewicht (ohne externe Spannung) Diode unter Spannung 11

Elektrochemisches Potential Diffusionsstrom Feldstrom Elektrochemisches Potential im Gleichgewichtzustand: … Das elektrochemische Potential der Elektronen hat im Gleichgewichtzustand (bei Stromlosigkeit) überall den gleichen Wert. 12

p-n Gleichrichter (Diode) Elektronen Löcher Potentialsprung Mit Spannung Ohne Spannung 13

Halbleiterdiode (Gleichrichter) I U 14

Zener Diode Die Sperrrichtung wird genutzt Ionisationsprozess Lawinenartiger Anstieg des elektrischen Stroms Freie Elektronen sind im Spiel 15

Photodiode (Solarzelle) Eg Eg [e. V] Ge 0, 7 Si 1, 1 Ga. As 1, 5 [ m] 1, 8 1, 1 0, 83 16

Tunnel Diode 17

Transistor E B C 2 Potentialbarrieren Transistor ohne externe Spannung 18

Transistor n Potentialbarriere p n Beschleunigung im elektrischen Feld Verstärker 19

Bauelemente in hybriden Schaltkreisen Widerstand: Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Dotierung im p-Bereich Kondensator: Andere elektrische Ladung im p- und im n-Bereich, dazwischen Isolator (Dielektrikum) Technologie Ausgangsmaterial: Si. O 2 Si Czochralski Methode (Si-Einkristalle) Diffusionsprozess: Diffusion von Phosphor (n) oder Bor (p) in Si. Maske – Si. O 2. 20