 | Es gibt keine Halbleiterbauelemente
ohne Halbleiterkontakte! |
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Eine vielleicht verblüffende Behauptung. Aber man muß
sich nur klarmachen, daß selbst ein popeliger Photowiderstand
– also ein Stück Halbleiter, dessen Widerstand mit zunehmender Beleuchtung
zwangsweise kleiner wird – zwei Anschlußdrähte
braucht, und Drähte sind normalerweise aus Metall. |
|  | Wir
haben also minimal zwei Kontakte zwischen dem Halbleiter und einer (oder zwei) Metallsorten. |
|  | Es
wäre schon sehr naiv, jetzt anzunehmen, daß der Kontakt Halbleiter-Metall keine besondere Eigenschaften hat, d.h. daß Elektronen ungehindert
vom Halbleiter ins Metall strömen können oder umgekehrt. Spätestens wenn man
sich überlegt, wie das mit den Löchern wäre, muß man ins Grübeln
kommen. |
| Was ist ein
Kontakt? Idealerweise sowas: |
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Wir haben einen geometrisch einfachen und sauber definierten
Übergang zwischen einem Material I und einem Material II (das im Extremfall
des "Gases" auch ein stark verdünntes Gas
oder sogar Vakuum sein kann). |
|  | Wir betrachten weiterhin den strukturellen
Defekt Phasengrenze als elektronisch uninteressant, d.h. die strukturellen
Einflüsse der Phasengrenzenstruktur auf Elektronen und Löcher vernachlässigen
wir hier. Das ist, um es deutlich auszudrücken, ein massiver
Fehler bei fast allen Kontakten – nur nicht bei denen, die wir hier behandeln. |
|  | Wir
betrachten auch Kontakte, die ein bißchen abstrakt sind, zum Beispiel den "Kontakt"
des Volumens eines Halbleiters mit seiner eigenen Oberfläche. Das ist sinnvoll, falls
die dünne Schicht der oberflächennahen Atome andere elektronische Eigenschaften
hat als das Volumen. |
 | Da
wir über eine gewisse Allgemeinbildung verfügen, wissen wir natürlich schon,
daß die gesamte Festkörperelektronik von Kontakten beherrscht
wird (oder von "Übergängen
", nur ein anderes Wort für Kontakt). Die zugehörigen Stichworte sind:
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| | - Der pn-Übergang,
der Kontakt zwischen verschiedenen Dotierungstypen desselben Halbleiters – in anderen
Worten: die klassische Diode und, für zwei aufeinanderfolgende
pn-Übergänge, der klassische Bipolartransistor
.
- Der MOS-Kontakt, d.h. die Materialfolge Metall-Oxid-Halbleiter (= Semiconductor);
zusammen mit pn-Übergängen gibt das einen MOS-Transistor
, das Arbeitspferd der MOS- und
CMOS -Technik, d.h.
fast aller integrierten Schaltungen.
-
Der Schottky -Kontakt
; etwas unbekannter, aber einfach ein Halbleiter-Metall-Kontakt, der Dioden
eigenschaften hat.
- Der ohmsche Kontakt,
normalerweise nicht besonders erwähnt, aber besonders wichtig: Ein Metall-Halbleiter-Kontakt,
der keine Diodeneigenschaften hat, sondern eine lineare
Strom-Spannungs-Kurve mit kleiner Steigung (d.h. kleinem Widerstand) zeigt.
- Die Heteroübergänge, also der Kontakt zwischen zwei
verschiedenen Halbleitern (mit verschiedener Bandlücke), ohne die es keine vernünftige
Optoelektronik gäbe.
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|  | Wir
sehen ganz klar: Wir müssen uns mit Halbleiterkontakten intensiv beschäftigen! |
| Das tun wir Schritt für Schritt
es ist nicht unbedingt einfach! Zum Beispiel wird ein quantitatives Verständnis eines
MOS-Transistors hier unsere Kräfte überfordern, aber den pn-Übergang
können wir packen – im 4. Schritt. |
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Vorher aber überlegen wir ansatzweise, wie ein realer Kontakt aussehen wird. |
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| Der reale Kontakt |
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Wer sich bis hierher sein (oder ihr) kindliches
Gemüt noch bewahrt hat, darf natürlich auch jetzt noch annehmen, daß ein pn-Kontakt
hergestellt wird, indem man zum Beispiel ein Stück n-Si nimmt und auf ein Stück
p-Si drückt. |
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|  | Das gibt zwar schon einen Kontakt,
aber halt keinen pn-Kontakt. Wir müssen hier die Dinge auf atomarer
Ebenen betrachten, und ein solcher Kontakt sieht dann so aus Þ
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Wir haben eine wilde Mischung aus allem möglichen
sicherlich erstmal einen Oxid-Oxid-Kontakt, da Si (und auch sonst jeder Halbeiter)
an Luft immer mit einer dünnen Oxidschicht bedeckt ist, die ca. 2 nm dick sein
wird (damit ist auch der Maßstab in nebenstehendem Bild definiert). |
|  | Da die Oberflächen
nie atomar eben sein werden, berühren sich die Materialien sowieso nur punktuell; in
den Zwischenräumen finden wir automatisch die in der Luft herumschwebenden Staubteilchen
und dazu zählen auch die nur sehr schwer faßbaren "Partikel" mit
nur einigen nm Größe. |
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Da das Oxid unkontrolliert an Luft entstanden ist, wird noch
so mancher Dreck eingebaut sein atomar oder in Form kleiner Partikel. |
|  | Auch bei allen
anderen Kontaktsorten, die wir in dieser Art herstellen würden, müssen wir ähnliche
Probleme erwarten. |
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| Wir würden immer einen
"Kontakt" mit der Abfolge Material 1 / Dreck / Material 2 erhalten. Andere Leute
jedoch, die uns schon einiges voraus haben und wissen was sie tun, erhalten mit dieser "Technik"
manchmal etwas Sinnvolles (natürlich nur im Vakuum und bei hochreinen Oberflächen;
Stichwort: "wafer bonding") – aber das sprengt den hiesigen Rahmen. |
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Was für elektronische
Eigenschaften können wir bei so einem Kontakt erwarten? |
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Richtig! Jedenfalls nichts, was man einigermaßen
einfach verstehen kann. |
|  | Ein Gutteil der Halbleitertechnologie beschäftigt
sich deshalb damit, wie man vernünftige reale Kontakte
herstellt, die dem gewünschten idealen Verhalten
wenigstens nahe kommen. Das ist oft ziemlich schwierig oder gar unmöglich, und viele
im Prinzip spannende Bauelemente scheitern an der Kontaktproblematik. |
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Wir betrachten jetzt als einziges Beispiel, wie
man einen realen pn-Übergang
herstellt. |
|  | Wir fangen mit einem Silizium-Wafer
(d.h. einer sehr perfekten einkristallinen Si-Scheibe) an, der eine bestimmte
Grunddotierung hat – im Beispiel ist es Bor (B); der Wafer ist also p-leitend. |
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|  | Wir wollen dicht unter der linken Oberfläche einen pn-Übergang
realisieren. In der Realität integrierter Schaltungen gilt für die Tiefe xpn
des pn-Übergangs beispielsweise xpn<< 1 µm.
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|  | Da
es keine sinnvolle Möglichkeit gibt, das Bor lokal
wieder herauszuholen (wer eine weiß, wird ganz schnell sehr reich), haben wir nur eine Option: Wir bringen mehr
As (oder P) in den Kristall ein, als Boratome vorhanden sind. Als Dotierung
wirkt nämlich immer nur (näherungsweise) die Differenz der Donator- und Akzeptorkonzentration.
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|  | Die
As-Atome können implantiert werden, d.h.
sie werden mit einer Ionenkanone (und Energien im Bereich 1 keV ... 200 keV) regelrecht
in den Kristall hineingeschossen. Dieser Prozeß heißt Ionenimplantation
. |
|  | Dabei
wird aber das Kristallgitter kurz und klein geschlagen wenn das Material nicht sogar
amorph geworden ist, enthält der Kristall jetzt untolerierbar viele Kristallgitterdefekte. |
|  | Die
müssen "ausgeheilt "
werden – durch längeres Erhitzen. Dabei diffundieren aber die As-Atome munter
durch die Gegend, das implantierte Konzentrationsprofil
wird verschmiert, und der pn-Übergang verschiebt sich zunehmend in die Tiefe. |
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 | Falls das ziemlich kompliziert klingt, liegt das daran, daß es ziemlich
kompliziert ist; außerdem muß man viele Parameter
optimieren. |
|  | Aber so und nicht anders wird's (fast immer) gemacht mit entsetzlich vielen
Varianten und Komplikationen. |
|  | Wenn alles richtig gemacht wurde, erhalten wir einen
pn-Übergang, der sich nahezu exakt so verhalten wird, wie wir es in Kürze
theoretisch vorhersagen werden! |
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© H. Föll (MaWi für ET&IT
- Script)