6.5.1 Merkpunkte Kapitel 6: Halbleiterkontakte und Bauelemente

Kontakte zwischen verschiedenen Materialien sind wichtig; in Stromkreisen sind sie unvermeidbar.
Die IU-Kennlinie kann kompliziert sein; sie ist nicht notwendigerweise "Ohmsch", d.h. linear.
Reale Kontakte sind nicht die "idealen" Kontakte der Theorie: Nicht verwechseln!  
Halbwegs "ideale" pn-Übergänge sind nicht leicht herzustellen  
Die Oberfläche hat eine andere Bandstruktur als das Volumen, insbesondere gibt es viele Zustände in der Bandlücke.  
Auch der Übergang Halbleiter - Oberfläche ist damit ein Kontakt!  
Grundprinzip bei Kontakt: Ladungen verschieben sich in Richtung möglicher Energiegewinn. (Elektronen "nach unten"; Löcher "nach oben").  
Dadurch entstehen elektr. Felder, Potentialunterschiede und Bandverbiegungen zwischen links - rechts.  
Im Gleichgewicht: Energiegewinn (= DEF) = Potentialunterschied links- rechts.  
 
Einfaches Rezept für Konstruktion Banddiagramm bei Kontakten Þ  
1. Zeichne die Fermienenergie als horizontale Linie; markiere den Kontakt.
2. Zeichne "weit" links vom Kontakt das Banddiagramm von Material 1; weit rechts das von Material 2; immer relativ zu der bereits festgelegten Fermienergie.
3. Verbinde Leitungs- und Valenzband durch eine "gefühlsmäßig" gezeichnete Bandverbiegung.
Wesentliche Größe: Raumladungszone (RLZ)  
Weite dRLZ der Raumladungszone ist verhältnismäßig leicht versteh- und errechenbar ("Kondensatormodell").
dRLZ skaliert grundsätzlich mit (Potentialunterschied)1/2 und
(Dotierung/Ladungsträgerdicht)– 1/2
 
Banddiagramm pn-Übergang im Gleichgewicht:
Konstruktion p-n-Übergang; 
Schritt 3
Ströme in jedem Band sind entgegengesetzt gleich groß.
Zwei grundsätzliche Sorten:
  • Majoritätsladungsträger fließen "bergauf" = Vorwärtsstrom jF (Diffusionsstrom, Rekombinationsstrom).
  • Minoritätsladungsträger fließen "bergab" = Rückwärtsstrom jR (Feldstrom, Driftstrom, Generationsstrom).
Im GG gilt   jR = – jF.  
 
Rückwärtsstrom jR sofort verständlich;  
jR   =  – jF   =  – e · L · nMin
t 
  =  – e · L · (ni)2
NA · t
  • Proportional zum "Einzugsgebiet, d.h. Diffusionslänge L.
  • Proportional zur Generationsrate G = nMin/t.
 
"Radfahrermodell" zur Veranschaulichung  
       
Mit externer Spannung Uex ändert sich die Höhe der Energiebarriere.
jF(Uex)   =  – jR · exp eUex
kT 
Nur der Vorwärtsstrom ändert sich (mit einem Boltzmannfaktor).  
 
Die komplette Strombilanz führt sofort auf die (elementare) Diodengleichung.  
j(Uex)  =   æ
ç
è
e · L ·nMin(L)
t
+ e · L ·nMin(V)
t
ö
÷
ø
· æ
ç
è
exp eUex
kT 
 –  1 ö
÷
ø
Gilt nur für ideale Diode ohne Berücksichtigung von Ladungsträgergeneration in der RLZ.  
     
Berücksichtigung RLZ ist tricky, aber leicht zu veranschaulichen: Ein weiterer Term ist zur Stromgleichung zu addieren.
j  =  æ
ç
è
e · L · ni 2
t  · NA
+ e · L · ni 2
t  · ND
ö
÷
ø
 ·  æ
ç
è
exp eU
kT
 –  1 ö
÷
ø
    +  e · ni · dRLZ(U)
t 
æ
ç
è
exp eU
2kT
 –  1 ö
÷
ø
Konsequenz: Für Halbleiter mit "großer" Bandlücke (schon für Si) dominiert der RLZ Term in Rückwärtsrichtung; d.h. der Leckstrom einer Si Diode wird durch den RLZ Beitrag dominiert.
Banddiagramm Metall - Halbleiterkontakten nach Rezept.
Bandstruktur Halbleiter-Metall 
3
Halbleiter-Metallkontakt 
3a
RLZ; Verarmung; Schottky Kontakt Akkumulation, Ohmscher Kontakt
Austrittsarbeiten definieren den jetzt notwendigen gemeinsamen Nullpunkt.
Neues Phänomen: Akkumulation von Ladungsträger (im Halbleiter) and der Grenzfläche.  
 
Gesamteffekt: Diodenverhalten oder ohmscher Kontakt - je nach Vorzeichen der Differenz Austrittsarbeit Metall - Austrittsarbeit (= Fermienergie) Halbleiter.
Schottky 
oder Ohmscher Kontakt?
Damit werden die unersetzlichen ohmschen Kontakte verstanden und systematisch möglich!  
 
Solarzelle = großflächiger pn-Kontakt
Füllfaktor einer 
Solarzelle Kennlinie mit wesentlichen Parametern
  • Leerlaufspannung
  • Kurzschlußstrom
  • Füllfaktor
  • Arbeitspunkt
Lichtabsorption produziert zusätzliche Minoritäten; fließen ab als Photostrom falls sie bis zur RLZ diffundieren können.
Damit große Diffusionlsänge erforderlich.
Wirkungsgrad begrenzt durch
  • Nicht absorbierte Photonen (Zahl steigt mit zunehmendem EG)
  • Verlorene Überschußenergie Photon (Wird größer mit abnehmendem EG
Optimales EG » 1,5 eV mit hmax » 30 %
Si Solarzellen: hmax » 25 %; htech » 15 %.
     
Bipolar Transistor
Bipolar Transistor 
mit Banddiagramm und Stromlaufbild
npn- oder pnp-Struktur mit dünner Basis.  
Die Emitter-Basisdiode wird in Vorwärtsrichtung betrieben und injiziert die Majoritätsladungsträger des Emitters in die Basis.  
Dort diffundieren diese Ladungsträger bis zum Kollektor, wo sie durch das elektrische Feld der in Rückwärtsrichtung gepolten Basis-Kollektordiode "abgesaugt" werden  
Damit Stromverstärkung möglich mit  
   
b  =   IK
IB
 =   NA(E)
ND(B)
 
 
MOS Transistor
MOS Transistor
Prinzip: Schaffung eines Kanals unter dem Gate mit derselben Ladungsträgerart wie Source/Drain.  
Dazu nötig: Inversion: Reduzierung der Majoritätsladungsträgerkonzentration durch elektrostatische "Abstoßung" direkt unter dem Gate bis (durch Massenwirkungsgesetz) die Minoritätsladungsträger überwiegen.  
Schwellspannung (Threshold Voltage): Notwendige Spannung zur Erreichung der Inversion; einstellbar durch Technologieparameter (insbesondere Dicke des Gate Dielektrikums).  
         
 
Fragebogen
Multiple Choice Fragen zu Kapitel 6
         

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© H. Föll (MaWi 2 Skript)