Kapitel 7 Halbleiter/Bauelemente

Bändermodel, Bändermodel •

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Durch Wechselwirkung der Elektronen über mehrere Atomabstände kommt es zur Ausbildung von Energiebändern g ((vgl. g diskrete Energien Bohr‘sche Atommodell) Valenzband=leicht gebunden, g können eher von einem Atom zu anderen Bei T=0K ist nur das Valenzband besetzt

Fundamentals/Bändermodell

•Bänder können überlappen oder getrennt (Bandlücke) verlaufen •Bandlücke Metalle=0 Isolatoren>3eV Halbleiter~0 5 1eV (InAs ~0,4eV, Halbleiter~0,5-1eV ~0 4eV Ge~0,7eV, Si~1,1eV,Diamant ~5,5eV) •Wenn E> Bandlücke: Leitung durch Elektronen (Leitungsband) und Löcher (Valenzband) (Valenzband), Rekombination= Rekombination Photon oder Phonon

Bändermodel, direkte und indirekte Halbleiter

Zwei Arten von Halbleiter: (Elektronen werden als Materiewellen beschrieben mit Quasiimpuls) •Direkt Direkt – QImpuls der Elektronen in Valenz und Leitungsband gleich •Indirekt - tja, was wohl, benötigt Phonon ((Gitterschwingung) g g) + Energie g

Halbleiterelemente Elementare Halbleiter

Verbindungshalbleiter

Organische Halbleiter

Ge, Si, α-Sn, C (Fullerene) B, (Fullerene), B Se, Se Te

III-V: GaP, GaAs, InP, InSb, InAs GaSb, InAs, GaSb GaN, GaN AlN, AlN InN, InN AlxGa1-xAs

Tetracen, Pentacen, Phthalocyanine, Polythiophene, PTCDA, MePTCDI, C C Chinacridon, Acridon, Indanthron, Flavanthron, Perinon

Unter Druck: Bi, Ca, Sr, Ba, Yb, P, S, I

II-VI: II VI ZnO, Z O ZnS, Z S ZnSe, Z S ZnTe, Z T CdS, CdSe, CdTe, Hg(1x)Cd(x)Te, BeSe, BeTe, HgS g

Mischsysteme: Polyvinylcarbazol, TCNQ Komplexe

III-VI: GaS, GaSe, GaTe, InS, InSe, InTe … I-III-VI: CuInSe2, CuInGaSe2, CuInS2, CuInGaS2 … SiC

Dotierung: Veränderung des elektrischen Verhaltens durch d Ei das Einbringen bi von F Fremdatomen d t „

N-Dotierung: Einbringen von Atomen, die ein Elektron mehr im Valenzband haben (kann leicht rausgelöst werden) – Donator Elektronenleitung/n-Leitung … Mehr Elektronen=n-dotiert …

„

P-Dotierung: Ein Elektron weniger im Valenzband = Loch – Akzeptor Löcherleitung/P-Leitung … P-dotiert …

„

Normale Dotierung: n-leitend: 1 Donator auf 107 Si-Atome … p-leitend: 1 Akzeptor auf 106 Si-Atome …

„

Starke Dotierung: n-leitend: 1 Donator auf 104 Si-Atome (n+) … p-leitend: 1 Akzeptor auf 104 Si-Atome (p+) …

Dotierung

Übergänge

„

p-n Übergang (p-dotiert, n-dotiert) Schottkyübergang (dotiert, Metall) Heteroübergang (mix von Halbleitern)

„

WICHTIG FÜR UNS p p-n n

„ „

Übergang

p-n Übergang: Übergang zwischen Bereichen unterschiedlicher D ti Dotierung Diffusion und Rekombination

Ferminiveau auf gleicher Energie

E-Feld

Raumladungszone= R l d Sperrschicht

E-feld = Diffusionsspannung, bei Si ~0,7V, Energie nötig um Spannung zu überwinden

p-n p n Übergang -

+

Bei Anlegung einer aüßeren Spannung wird die Sperrschicht vergrößert

+ = kein Stromfluss

-

+

Oder abgebaut +

-

= Stromfluss St fl

p-n p n Übergang -

+

Weite der Sperrschicht:

Anwendungen: Diode, Transistor

Diode „

Schaltzeichen

„

Mechanisches Equivalent: Rückschlagventil

Aufbau einer Diode/Kenngrößen Spannung an Diode in Durchlassrichtung: UD (Flussspannung) Strom durch Diode in Durchlassrichtung: g ID Sättigungssperrstrom: IS Diffusionsstrom: ID,D Leckstrom: ID,R Leck-Sättigungssperrstrom: IS,R Durchbruchstrom: ID,BR Emissionskoeffizient: n Temperaturspannung: UT Bahnwiderstand: RB Differentieller Widerstand: rD Arbeitspunkt: A oder AP Di d k Diodenkapazität: i ä CD Sperrschichtkapazität: CS Diffusionskapazität: p CD,D

Statisches Verhalten „

Shockley-Gleichung

12..10 Sä i Sättigungssperrstrom: IS=10 10-12 10-66 A

Emissionskoeffizient: n~1-2 Temperaturspannung:

Gleichrichterdiode

Zener Diode

Lawinen Durchbruch

Transistor „ „

Einfachste Vorstellung zwei Dioden Zwei Arten npn/pnp

Transistor

„

Feldeffekttransistor Unipolartransistor … Steuerung durch Spannung …

Bipolartransistor

„

Leistungslos

Transistor - Kennlinienfeld

Transistor Berechnung „

Gleichstromverstärkung B (hFE) und differentielle St Stromverstärkung tä k β (hfe) – Näherung Näh hFE=h hfe (Datenblatt) (D t bl tt) UA=Early Spannung~30-100V B~10-100

Arbeitsbereich

Transistor Schaltungen

Emitterschaltung „

„ „ „

„ „

„

Invertierung des Eingangssignals (entspricht Phasendrehung um 180°) Stromverstärkung hoch Spannungsverstärkung hoch Leistungsverstärkung ca ca. 100 100– 1000, etwa Spannungsverstärkung × Stromverstärkung Eingangswiderstand: 500 Ω–2 kΩ Ausgangswiderstand: 50–100 kΩ bzw. etwa gleich dem Arbeitswiderstand R3 verzerrungsarme Verstärkung nur für sehr kleine Eingangsspannungen: wenn C3 vorhanden 0 für U2>U1

ideal

Ersatzvierpol

real

Operationsverstärker – OpAmp -ideal ideal Ersatzvierpol

UE

ideal

UE

Berechnen ….ideal ideal

UE UE

OpAmp – invertierender Verstärker U1 wird verstärkt !!!

Stabiler Punkt UE=0 K auf Masse Maschen

Gegenkopplung

OpAmp – nichtinvertierender Verstärker U1 wird verstärkt !!!

Stabiler Punkt UE=0 Spannungsfolger

Gegenkopplung

U1=UA, v=1 8

U1 unbelastet RE→

„ideale Spannungsquelle“

Addierer

Diff verstärker/Subtrahierer Diff.verstärker/Subtrahierer

integrierer

Differentiator