Stichworte zu Halbleitern (mit großer Bandlücke)

Eine Vorbereitung auf ein Vorstellungsgespräch machte es nötig, dass ich mir noch ein Mal über einige Sachen, was Halbleiter, im speziellen Halbleiter mit großer Bandlücke, angeht klar wurde. Das ist also mehr für elektronisch interessierte Menschen eine Hilfe


Atomorbital

Vereinfacht: Quantenmechanische Beschreibung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons in Atommodell. Die Hauptquantenzahl, analog dem bohrschen Atommodell, meint die Schale zu dem das Orbital gehört. Beginnend mit 1 (innen) haben höheren Schalen eine geringere Bindung an den Kern so wie eine höhere Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons sich weiter weg vom Kern. Die äußerste besetzte Schale (Valenzschale) spielt bei Wechselwirkungen zwischen Atomen, z.B. in Feststoffen oder Kollisionen, die größte Rolle.

Bändermodell

Modell zur Beschreibung elektronischer Energiezustände in einem Festkörper. Ein Energieband besteht aus einer Menge untereinander differenzierbarer Energieniveaus. Verschiedene Bänder können durch Bandlücken unterbrochen sein, also Bereiche von Energieniveaus, die die Elektronen nicht annehmen können (z.B. zwischen Valenz- und Leitungsband). Nach dem Pauli-Prinzip füllen sie die Energiebänder von unten hin auf. Das obere Ende entspricht hier der Fermienergie. Bei einem Isolator ist das obere besetzte Band vollbesetzt, sodass keine weitere Energie durch die Elektronen aufgenommen werden kann. Dies wäre für eine Beschleunigung und damit elektrischen Strom notwendig. In einem Metall ist dies (für kleine Energiebeträge) möglich, da das oberste besetze Band nur teilbesetzt ist.

Bandlücke

Der energetische Abstand zwischen zwischen Valenz- und Leitungsband in einem Festkörper [eV]. Es handelt sich um eine direkte Bandlücke wenn das Minimum des Leitungsbandes über dem Maximum des Valenzbandes liegt (in Bezug auf den Wellenvektor – die x-Achse im Banddiagramm). Ist dies nicht der Fall spricht man von einer indirekten Bandlücke, bei der eine höhere Energie für den Übertritt aufgebracht werden muss.

Defektelektron

(auch Elektronenfehlstellen oder Löcher) Positive Ladungsträger, in Realität das Fehlen eines Valenzelektrons. Dies kann in Kristallen durch thermische Anregung oder Absorption eines Photons geschehen, sodass ein Elektron vorübergehend im Leitungsband ist bevor es andernorts rekombiniert.

Dotierung

In dotierten Halbleitern erzeugen Fremdatome Elektronen mit einem Energieniveau innerhalb der Bandlücke, sodass weniger Energie für den Übergang ins Leitungsband notwendig ist (Störstellenleitung bei p-Dotierung).

Elektrische Leitfähigkeit

Bezeichnet die physikalische Größe, die angibt, wie gut ein Stoff elektrischen Strom leitet [S/m]; Kehrwert ist der elektr. Widerstand. Sie wird durch verfügbare, frei bewegliche oder nur schwach gebundene Ladungsträger, Elektronen, Defektelektronen oder Ionen möglich. Gerichtete Bewegung von Ladungsträgern entlang eines elektrischen Feldes wird als elektrischer Strom bezeichnet, der in Realität nie Null erreicht.
Bei Halbleitern ändert sich die mit der Temperatur die Ladungsträgerdichte exponentiell, während die Mobilität eine verhältnismäßig kleine Temperaturabhängigkeit hat.

Elektronenleitung

Ladungstransport durch Elektronen. Bei einem Halbleiter ist hierbei vorwiegend Ladungstransport im Leitungsband gemeint (bei n-Dotierung durch Elektronen, bei p-Dotierung durch Defektelektronen)

Elektronenvolt

Eine Maßeinheit der Energie: Änderung der Bewegungsenergie eines Elektrons, dass in einem elektrischen Feld von 1 V beschleunigt wird. 1 eV entspricht ungef. 1,602… 10⁻¹⁹ J.

Epitaxie

Eine Form des Kristallwachstums bei der mind. eine kristallographische Orientierung des wachsenden Kristalls einer Orientierung des kristallinen Substrates entspricht. Unterscheidet sich das aufwachsende Material von dem des Substrates spricht man von Heteroepitaxie.

Feldeffektransistor

Spannungsgesteuertes Bauelement, bei dem nur ein Ladungstyp am Stromfluss, zwischen Soruce und Drain, beteiligt ist (Unipolares Bauelement). Erst bei höheren Schaltfrequenzen muss nennenswert Energie für die Steuerung aufgebracht werden um die internen Kapazitäten hinreichend schnell um zu laden. Der Widerstand des dotierten Kanals wird durch die Anreicherung/Verarmung mit Ladungsträgern mit Hilfe des elektrischen Feldes der am Gate angelegten Spannung variiert.

Fermienergie

Höchstes Energieniveau eines Elektrons in einem Festkörper (Bändermodell). Liegt die Fermienergie innerhalb eines Bands, so handelt es sich um ein Metall.

Figure of Merit (FOM)

Eine Qualitätskennzahl, die bei MOSFETs oft mit rDS(on) x Qg definiert wird. Je kleiner das Produkt aus Bahnwiderstand x Gesamtgateladung, desto besser ist das Bauteil für schnelles Schalten geeignet und umso weniger Energie wird beim Schaltvorgang selbst benötigt.

Quelle: http://www.vishay.com/docs/71933/71933.pdf

Andere Definitionen zum Vergleich von Halbleitermaterialien untereinander: Baliga‘s FOM (BFOM), Baliga‘s HF FOM (BHFFOM), Johnson‘s FOM (JFOM)

GaN-Kaskode

Bestehend aus einem selbstleitenden Verarmungs-FET aus GaN sowie einem Si-MOSFET mit niedriger Spannungsfestigkeit und geringem RDS(on) zur Ansteuerung. So wurde (verpackungsseitig) selbstsperrender GaN-FET nutzbar und mit vorhandenen Gatetreibern ansteuerbar.

Halbleiter

Festkörper, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen derer der elektr. Leitern und Nichtleitern liegt. Die Grenzbereiche (< 10⁻⁸ S/cm, Halbleiter, > 10⁴ S/cm) überschneiden sich durch den starken materialspezifischen Temperaturkoeffizienten. Freie Ladungsträger entstehen durch thermische/optische Anregung, sodass die intrinsische Leitfähigkeit eines reinen Halbleiters bei 0 °C Null liegt, da keine Ladungsträger aus dem dem Valenzband in das Leitungsband gelangen können.

HEMT

Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (High-electron-mobility Transistor) der von der Konstruktion her einem Depletion-JFET ähnlich und damit ohne Ansteuerung leitend ist. Genutzt werden zwei Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken (heterogenes Bauteil) wovon nur der Halbleiter mit der größeren Bandlücke dotiert ist. Er ermöglicht sehr hohe Schaltfrequenzen und hohe Spanungen, z.B. durch die Kombination von GaN und AlGaN.

Panasonic hat 2014 selbstsperrende GaN-Transistoren auf den Markt gebracht, bei denen die eine p-Dotierung am Gate die Elektronen aus dem Kanal räumt und so eine Verarmungszone schafft.

EPC bietet „eGaN“ Anreicherungstransistoren an, die ähnlich arbeiten.

Inversion

Bezeichnet in einem Halbleiter den Fall, dass die Dichte der Minoritätsladungsträger höher ist als die Dichte der Majoritätsladungsträger, also entsprechend der Dotierung, ist.

Ion

Elektrisch geladenes Atom oder Molekül, also mit bestehendem Ungleichgewicht zwischen Elektronen und Protonen. Positiv geladen: Kationen, negativ geladen: Anionen.

Ladungsträgermobilität

Beschreibt den Zusammenhang zwischen angelegtem elektrischen Feld und der Driftgeschwindigkeit von Ladungsträgern. In Festkörpern hängt die Mobilität stark von Störstellen und der Temperatur ab. Sie ist für Elektronenleitung und Defektelektronenleitung nicht gleich hoch.

Ladungsträgersättigungsgeschwindigkeit

Beschreibt die höchste Geschwindigkeit eines Ladungsträgers (meist eines Elektrons) innerhalb eines Halbleiters die sich proportional zum angelegten elektrischen Feld ergibt.

Metall-Halbleiter-Kontakt

Ein Kontakt zwischen Metallen und Halbleitern die als ohmsche Kontakte (niedriger elektrischer Widerstand, richtungsunabhängig, lineare Spannungs-/Stromcharakteristik) oder Schottky-Kontakte ausgeführt sein können. Die Form der Kontaktstelle hängt von der Lage der Fermi-Energie (Stopp hier) der Materialen ab und somit auch von der Dotierung des Halbleiters.

MOSFET

Verbreiteter Typ eines Feldeffektransistors. Bei einem n-Kanal Anreicherungstyp mit p-dotiertem Substrat sammeln sich durch die angelegte, positive Gate-Spannung Elektronen zwischen Source und Drain (Inversion) und stehen damit zum Ladungstransport zu Verfügung. Bei P-Kanal Bauelemente analog Defektelektronen. Da Source bei lateralem Aufbau meist auch mit dem Substrat verbunden ist gibt dies die Polarität der Body-Diode vor. Bei vertikalem Aufbau ist Drain mit dem Substrat verbunden.

Bei einem Super-Junction-MOSFET (SJ-MOSFET) sind vertikale p-dotierte „Säulen“ in die Driftregion eingelassen (bei n-Kanal-Bauelement). Dies „moderiert“ die den Potentialverlauf wodurch die Materialdicke und der Kanalwiderstand bei gleicher Spannungsfestigkeit deutlich verringert werden kann..

Pauli-Prinzip

Besagt, dass zwei Elektronen nicht den exakt gleichen Energiezustand einnehmen dürfen.

pn-Übergang

Benachbarte, unterschiedliche Dotierungsbereiche können einen pn-Übergang bilden an dessen Grenzfläche sich eine Raumladungszone ausbildet. Ein von außen in Sperrrichtung betriebener pn-Übergang vergrößert seine Raumladungszone mit steigender Spannung durch Erhöhung der Feldstärke im Übergang bin intern ein neues Gleichgewicht etabliert ist. Abgesehen von Leckströmen oder Durchbrüchen wird kein Strom geleitet. In Flussrichtung betrieben verkleinert die angelegte Spannung die Raumladungszone und der Diffusionsstrom nimmt durch die vielen freien Ladungsträger stark zu.

Schottky-Kontakt

Ein Metall-Halbleiter-Kontakt der in einer Flussrichtung sperrt, was durch eine in der Materialzusammensetzung begründeten Verarmungszone an der Grenzfläche hervorgerufen wird. Der Ladungstransport erfolgt nur durch Elektronen, da der Verwendete Halbleiter meist n-dotiert ist (Majoritätsträgerleitung).
Für Dioden < 250 V Sperrspannung wird Silizium (0,4 V Schwellspannung), darüber (<1,7 kV) Siliziumkarbid (0,8 V Schwellspannung) oder Galliumarsenid verwendet.

Raumladungszone

An der Grenzfläche eines pn-Übergangs kann sich eine Raumladungszone ausbilden. Hierbei diffundieren Defektelektronen in die n- und Elektronen in die p-Dotierung, sodass die Schicht von außen elektrisch neutral erscheint und keine freien Ladungsträger mehr vorhanden sind. Im Inneren entsteht hierdurch eine Diffusionsspannung, die das Wachstum der Zone ohne außen angelegte Spannung begrenzt, da eine der Diffusion entgegen stehende elektrostatische Kraft entsteht. Die Raumladungszonengröße variiert mit der Temperatur.

Unipolares Bauelement

Ein unipolares Bauelement ist eines, bei dem nur ein Ladungstyp am elektrischen Strom beteiligt ist (Schottky Diode, JFET, MOSFET). Bipolare Bauelemente hingegen sind „normale“ Dioden mit pn-Übergang sowie Bipolartransistoren.

Valenzschale

Äußerste mit Elektronen besetzte Schale, welche die Valenzelektronen enthält. Diese stehen zum Eingehen chemischer Verbindung zur Verfügung und bestimmen maßgeblich die chemischen Eingenschaften eines Elements. Kann max. 8 Elektronen enthalten (Edelgaskonfiguration), 2x in s-Orbital, 6x in p-Orbitalen

Verbindungshalbleiter

III-V- oder II-VI-Verbindungshalbleiter haben den Vorteil, dass ihre Bandlücke durch die Materialzusammensetzung variiert werden kann. Hierbei werden Elemente aus der 3. und 5. bzw. der 2. und 6. Hauptgruppe des Periodensystems kombiniert. Galliumnitrid (GaN) ist hierbei ein Vertreter der III-V Halbleiter und wird u.a. für die Herstellung von LEDs, Laserdioden und MOSFETs verwendet.

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