Halbleiterbauelemente

• Elektronische Bauelemente können in 4 Kategorien eingeteilt werden:

  
  

  Passive Bauelemente = Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten

  
  

  Aktive Bauelemente = Elektronenröhre, Relais und Transistoren

  
  

  Verbindungselemente = Kabel, Steckverbindungen und Leiterplatten

  
  

  Quellen = Spannungsquellen
• MOSFET = Metal Oxide Semiconductor Field Effect
• Wie ist ein moderner MOS-Transistor aufgebaut?

  
• MOS-Transistor Herausforderungen

  Bei Abmessungen < 100 nm müssen quantenmechanische Effekte berücksichtigt werden

  -> neue Konzepte/ Materialien notwendig

  bsp: Gateoxiddicke mit SiO2 bei dieser Skalierung zu dünn (2-3 Atomschichten)

  -> nicht herstellbar -> zu große leckströme (Tunneleffekt)

  Material mit höherer Dielektrizitätskonstante (High-K Dielektrika)

  -> dickere Gatedielektrika
• Bei metallischen Leitern steigt der spezifische Widerstand mit zunehmender Temperatur
• Bei intrinsischen Halbleitern sinkt der spezifische Widerstand mit steigender Temperatur
• Die Elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters liegt zwischen der von Leitern und Isolatoren
• Die Bandlücke eines Halbleiters sorgt für dessen elektrischen Eigenschaften. Diese Bandlücke hat eine begrenzte Breite <3 eV und liegt zwischen Valenzband und Leitungsband.
• Durch die Bandlücke in Halbleitern existieren im Gegensatz zu Metallen keine festen Ladungsträger.

  Diese enstehen durch:

  Energetische Anregung -> z.B thermische Anregung

  Fremdatome und Störstellen -> Dotierung
• Unter Dotierung versteht man das gezielte Einbringen von Fremdatomen in ein Material. Dadurch kann die Leitfähigkeit beeinflusst werden
• Es gibt elementare Halbleiter und Verbindungshalbleiter

  
  

  Elementare Halbleiter:

  4. Hauptgruppe im Periodensystem

  -> Silizium, Germanium

  
  

  Verbindungshalbleiter:

  Hauptgruppenkombinationen 3 + 5

  -> z.B: Gallium Arsenid (GaAs), Gallium Phosphid (GaP), Indium Arsenid (InAS)

  
  

  Hauptgruppenkombinationen 4 + 4

  ->Siliziumcarbid(SiC)

  
  

  Hauptgruppenkombinationen 2 + 6

  ->Cadmiumsulfid(CdS), Zinksulfid(ZnS)

  
  

  Hauptgruppenkombinationen 4 + 6

  ->Bleisulfid (PbS)
• Eigenschaften von Silizium:

  
  

  • Bandlücke: 1,12 und direkt
  • Intrinsische Ladungsträgerdichte: 1,4 x 10^10 1/cm³
  • Ladungsträgermobilität Elektronen: 1500 cm²/(Vs)
  • Ladungsträgermobilität Löcher: 475 cm²/(Vs)
  • Gitterstruktur: Diamant
  • Dielektrizitätszahl: 11,8
  • Thermische Leitfähigkeit: 149 W/(mK)
  • Schmelztemperatur: 1421 °C
• Eigenschaften von Germanium:

  • Bandlücke: 0,67 eV und indirekt
  • Intrinsische Ladungsträgerdichte: 2 x 10^13 1/cm³
  • Ladungsträgermobilität Elektronen: 3900 cm²/(Vs)
  • Ladungsträgermobilität Löcher: 1800 cm²/(Vs)
  • Gitterstruktur: Diamant
  • Dielektrizitätszahl: 16,2
  • Thermische Leitfähigkeit: 60 W/(mK)
  • Schmelztemperatur: 1211 °C
• Eigenschaften von Galliumarsenid:

  • Bandlücke: 1,44 eV und direkt
  • Intrinsische Ladungsträgerdichte: 1,8 x 10^6 1/cm³
  • Ladungsträgermobilität Elektronen: 8500 cm² /(Vs)
  • Ladungsträgermobilität Löcher: 400 cm² /(Vs)
  • Gitterstruktur: Zinkblende
  • Dielektrizitätszahl: 12,9
  • Thermische Leitfähigkeit: 56 W/(mK)
  • Schmelztemperatur: 1238 °C
• Welche Klassen von Festkörpern gibt es?

  Kristalle:

  • Einkristalle und Polykristalle
  • Haben Fern- und Nahordnung
  • Translationssymmetrie

  Amorphe Festkörper

  • haben nur Nahordnung
  • keine Translationssymmetrie

  Quasikristalle

  • haben Fern- und Nahordnung
  • keine Translationssymmetrie
• Welche Temperaturkurve ist ein HL und welche ist Leiter?

  A) intrinsischen Halbleiter

  B) sinkt

  C) steigt

  D) metallische Leiter

  
• Stufen bei Herstellung von Siliziumwafern

  
  

  1. Siliziumextraktion aus Siliziumdioxid
  2. Silizium Reinigung
  3. Abscheidung von polykristallinen Reinstsilizium
  4. Einkristallherstellung durch Kristallziehen
  5. Weiterbearbeitung (Schleifen, polieren etc)
• Siliziumextraktion und Reinigung

  1. Silizium wird aus SiO2 durch Reduktion mit Kohlenstoff extrahiert

  2. Reinigung durch Trichlorsilan Prozess

  3. Trichlorsilan wird durch fraktionierte Destillation gereinigt

  4. hochreines Trichlorsilan wird wieder zu Silizium reduziert -> erhalten hochreines polykristallines Silizium (Solarsilizium)
• Reinigung durch Trichlorsilan Prozess

  Si(fest) + 3HCl(gasförmig) ⇒ SiHCl3(flüssig/gasförmig) + H2(gasförmig)
• Reinigung von Trichlorsilan

  Durch fraktionierte Destillation
• Reduktion von hochreinem Trichlorsilan zu Silizium

  2SiHCl3(flüssig) + 2H2(gasförmig) ⇒ 2Si(fest) + 6HCl(gasförmig)
• Wie funktioniert die Siliziumextraktion?

  Silizium wird aus SiO2 durch Reduktion (mit Hitze) mit Kohlenstoff extrahiert

  $SiO_2(\text{fest}) +$$C(\text{fest}) \Rightarrow Si(\text{fest}) +$$2CO (\text{gasförmig})$

  erhalten Rohsilizium mit 98% Reinheit
• Was ist der Czoralski Prozess: Tiegelziehen:

  Herstellung einkristalliner (dotierter) Siilizium Ingots (zylindrische Form)

  Polykristallines Si + Dotierstoffe werden in einem Quarztiegel geschmolzen

  Si Impfkristall wird mit der Si Oberfläche kontaktiert

  langsames hochziehen des Impfkristalls -> Einkristall mit derselben Kristallorientierung entsteht

  Schmelze und Impfkristall werden in unterschiedliche Richtung gedreht

  A) Impfkristall

  B) Si Ingot

  C) Quarztiegel

  D) Heizer

  E) Vakuumgefäß

  F) Graphittiegel

  
• Czoralski Prozess: Tiegelziehen Vor und Nachteile:

  + geringere Kosten

  + Sauerstoffverunreinigungen machen die Wafer mechanisch stabiler

  -Verunreinigungen durch den Quarztiegel

  -Dotierstoffkonzentration variiert entlang des Ingots
• Floating Zone Prozess: Zonenziehen

  • zur Herstellung hochreiner einkristalliner Si Ingots (zylindrische Form)
  • Heizspule schmilzt unteres Ende des p-Si Stabs durch induktive Heizung
  • mögliche Dotierstoffe werden als Gase in Vakuum zugeführt
  • Si Impfkristall wird mit geschmolzener Si Oberfläche kontaktiert
  • langsames Herunterziehen mit Rotation des Impfkristalls mit Zuführung des p-Si Stabs in die Schmelzzone -> Wachstum eines Einkristalls mit derselben Kristallorientierung
• Zonenziehen:

  A) Ar Atmosphäre

  B) Vakuum

  C) p-Si

  D) Dotierstoffgas

  E) Induktionsspule

  F) Si Ingot

  G) Impfkristall

  
• Vor und Nachteile des Zonenziehens

  Vorteile:

  Hochreine Si Ingots (hoher spezifischer Widerstand)

  kann zur weiteren Reinigung und Homogenisierung wiederholt werden

  Nachteile:

  Langsamer + komplexer -> teuer

  Rohmaterial muss als Stab vorliegen

  Prozessbedingt nur geringere Durchmesser möglich
• Wafergeometrie

  Abflachungen (flats) zeigen Kristallorientierung und Dotierstoff an

  Hauptflat länger

  Nebenflat kürzer

  Hauptflat zeigt die <100> Richtung an (für leichtes Spalten entlang dieser Ebene)

  größere Wafer (>4 Zoll) haben keine flats sondern Kerben (notches)

  
• Optoelektronische Bauelemente

  Halbleiterbauelemente, die elektrische und optische Vorgänge koppeln
• Optoelektronische Bauelemente


  • LEDs
  • Diodenlaser
  • Photodetektoren
  • Solarzellen
• Light Emitting Diodes (LEDs)


  • Emittieren Licht bei Stromfluss
  • Bestehen aus III-V-Halbleitern
  • Verwendet in Indikatoren, Displays, Beleuchtung
• Funktionsweise von LEDs

  1. Strom fließt durch LEDs

  2. Rekombination von Elektron-Loch-Paaren

  3. Lichtemission erfolgt
• Diodenlaser

  • Funktionieren ähnlich wie LEDs
  • Erzeugen kohärentes Laserlicht
  • Verwendet in Telekommunikation, Barcode-Scannern
• Funktionsweise von Diodenlasern

  1. Ähnlich wie LEDs

  2. Licht wird in Resonatorkavität verstärkt
• Photodetektoren


  • Erzeugen elektrische Signale als Reaktion auf Licht
  • Erzeugen Elektron-Loch-Paare
  • Verwendet in Kameras, Lichtmessgeräten
• Funktionsweise von Photodetektoren

  1. Photonen treffen auf Halbleitermaterial

  2. Erzeugen Elektron-Loch-Paare

  3. Strom wird erzeugt
• Typen von Photodetektoren

  • Photodiode
  • Avalanche-Photodiode
  • Photowiderstand
• Solarzellen

  • Wandeln Lichtenergie in elektrische Energie um
  • Erzeugen Elektron-Loch-Paare
  • Verwendet in Solarpanelen, Satelliten
• Funktionsweise von Solarzellen


  1. Photonen treffen auf Solarzelle

  2. Erzeugen Elektron-Loch-Paare

  3. Stromfluss erfolgt
• Typen von Solarzellen

  • Monokristalline Solarzellen
  • Polykristalline Solarzellen
  • Dünnschichtsolarzellen