Table Of ContentHalbleiter-Elektronik
Herausgegeben von W Heywang und R. MUlier
Band 18
W.Heywang
Amorphe und
polykristalline Halbleiter
Mit 106 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin' Heidelberg' New York' Tokyo 1984
Dr. rer. nat. WALTER HEYWANG
Leiter der Zentralen Forschung und Entwicklung der Siemens AG, MUnchen
Professor an der Technischen Universitat MUnchen
Dr. techno RUDOLF MULLER
Professor, Inhaber des Lehrstuhls fUr Technische Elektronik
der Technischen Universitat MUnchen
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek.
Amorphe und polykristaliine Halbleiter / W. Heywang.
Berlin; Heidelberg; New York; Tokyo: Springer. 1984.
(Halbleiter-Elektronik; Bd.18)
ISBN-13: 978-3-540-12981-3 e-ISBN-13: 978-3-642-95447-4
DOl: 10.1007/978-3-642-95447-4
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MUnchen, wahrgenommen.
© Springer-verlag Berlin/Heidelberg 1984
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1984
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch
berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der
Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann
benutzt werden dUrften.
Offsetdruck: Weihert-Druck GmbH, Darmstadt
Bindearbeiten: Graphischer Betrieb Konrad Triltsch, WUrzburg.
Vorwort
Die faszinierenden Erfolge der modernen Halbleiterelektronik, basie
rend auf einkristallinem Silizium sowie den einkristallinen III-V -Halb
leitern, haben den Blick so sehr auf sich gezogen, daB einige andere
Entwicklungen auf dem Halbleitergebiet weniger B'eachtung fanden. Ge
rade neuere Entwicklungen zeigen aber, daB auch diese Sektoren sich
durchaus gesund weiterentwickeln mit wichtigen Nutz·ungsgebieten fUr
die Elektronik, insbesondere im Bereich peripherer Systeme, wie
Sensoren, Displays, Elektrophotographie oder aber bei Spezialaufga
ben, wie der Thermoelektrik oder dem Uberspannungsschutz. Es er
schien daher sinnvoll, die Buchreihe "Halbleiterelektronik" durch ei
nen Band zu erganzen, der - ausgehend von den Eigenschaften dieser
Sondermaterialien - deren Nutzung in der modernen Elektronik be
schreibt.
Wegen der Vielgestaltigkeit des Inhalts erschien es mir sinnvoll, die
einzelnen Kapitel von den dort genannten Fachleuten gestalten zu las
sen. Ich hoffe, daB es trotzdem gelungen ist, einen geschlossenen
Uberblick zu geben, wobei aber auf die an einigen Stellen besonders
enge Korrelation zum Band "Sensorik" dieser Reihe verwiesen sei.
Die ersten Konzeptionen zu einem Buch tiber amorphe und polykristal
line Halbleiter wurden noch zusammen mit Herrn Professor Dr. Herbert
Weill erarbeitet, der im Marz 1981 tOdlich verungltickte. Unser aller
Dank gilt ihm und seiner Initiative.
Danken mochte ich nattirlich auch allen Mitautoren fUr die kontruktive
Zusammenarbeit, insbesondere Herrn Dr. Hanke, der mich bei vie len
Korrelationsarbeiten entscheidend unterstUtzte. Ferner ist es eine an-
5
genehme Pflicht, Herrn A. Albrecht fUr die Anfertigung der meisten
Zeichnungen zu danken. SchlieBlich gebUhrt unsere besondere Aner
kennung dem Springer-Verlag fUr sein stetes Entgegenkommen in der
Phase der Manuskripterstellung und die bewEihrte Betreuung wahrend
des Herstellungsprozesses.
MUnchen, im Januar 1984 w. Heywang
6
Autoren
Heywang, Walter, Prof. Dr. rer. nat. Siemens AG, Miinchen,
Zentrale Forschung und Entwicklung.
Birkholz, Ulrich, Prof. Dr. rer. nat. Universitat Karlsruhe,
Institut fUr angewandte Physik.
Einzinger, Richard, Dr. rer. nat. Siemens AG, Mtinchen,
Forschungslaboratorien, Abt. AMF 22
Hanke, Leopold, Dr. phil. Siemens AG, Mtinchen, Forschungsla
boratorien, Abt. AMF 23
Kempter, Karl, Dr. rer. nat. Siemens AG, Miinchen, Forschungs
laboratorien, AMF 13
Schneller, Adrian, Dr. rer. nat. Miinchen
7
Inhaltsverzeichnis
o Einleitung (W. Heywang).. 13
Literaturverzeichnis ••... 20
1 Amorphe Halbleiter (K. Kempter) ...•••..•.•.....•... 21
1. 0 Einleitung ..•.•.•••••. 21
1. 1 Physik amorpher Halbleiter 22
1. 1. 1 Allgemeine Dbersicht 22
1. 1. 2 Tetraedrisch gebundene amorphe Halbleiter 34
1. 1. 3 Chalkogenidhalbleiter ..... . 38
1. 2 Anwendungen amorpher Halbleiter .. 40
1. 2.1 Photoleiter flir Elektrophotographie 40
1. 2. 2 Schalt- und Speicherbauelemente ..• 48
1.2.3 Lichtinduzierte Effekte und ihre An wendungen 51
1. 2. 4 Solarzellen aus amorphem Silizium .• 58
1.2.5 Feldeffekttransistor und integrierte
Schaltkreise . 64
1.2.6 Bildsensoren .•.•.. 67
1.2.7 Hochstromdioden .• 70
1.2.8 Abschirmschichten. 71
Literaturverzeichnis •.... 71
Bezeichnungen und Symbole. 75
2 Thermoelektrische Bauelemente (U. Birkholz) . . • . • . . • • •• 77
2.0 Einleitung ..•••••••..•.•...••.•••.....•..•. 77
2.1 Thermodynamische Grundlagen der
Thermoelektrizitat ••.•.•...•.....•.••......•• 78
9
2.1.1 Die thermoelektrischen Effekte . . • . . • . . . . • 78
2. 1. 2 Verkniipfung der thermoelektrischen Effekte
mit Hilfe des Onsager-Theorems •.••....•.... 80
2.2 Das Thermoelement als Warmekraftmaschine und als
Warmepumpe . . . . • • . • • . • . . . . . • • . . . . . . . 85
2.2. 1 Thermoelektrische Stromerzeugung: Das
Seebeck-Element als Warmekraftmaschine • .••.. 86
2.2.2 Elektrothermische Kiihlung und Heizung:
Das Peltier-Element als Warmepumpe .•• • • • • •• 89
2.3 Festkorpertheoretische Gesichtspunkte fUr die
Entwicklung thermoelektrischer Substanzen ...•• 91
2.4 Halbleiterwerkstoffe fiir Leistungsthermoelemente 97
2.5 Technische Realisierung von Peltier- und
Seebeck-Elementen .•...• · •• 102
2.5.1 Peltier-Elemente ••. .102
2.5.2 Seebeck-Elemente .. . 105
2.6 Dimensionierung der Warmetauscher •..•• 110
2.6.1 Warmeaustauscher fUr thermoelektrische
Generatoren ........•..•.••..... · .• 110
2.6.2 Warmeaustauscher fUr elektrochemische
Kiihlaggregate .••.•...••••••....•.••.... 113
2.7 Anwendungsbeispiele •. · ••••• 114
Literaturverzeichnis ..... · .. 118
Bezeichnungen und Symbole · .. 121
3 HeiBleiter (A. Schneller) •. · .. 123
3.0 Einleitung · .• 123
3.1 Polykristalline oxidische Halbleiter als
HeiBleitermaterialien .••..••.•.•••.•.••••.••.• 124
3.1.1 Spinelle, ihr Leitungsmechanismus und dessen
Beeinflussung durch Substitutionsstorstellen ••...• 124
3.1.2 Stochiometrieabweichungen im Gitter der
Dbergangsmetalloxide •...•........•.••.... 131
3.1.3 Oxide der Seltenerdelemente als
HeiBleitermaterialien (Hochtemperatursensoren) .• 132
3.2 Ladungstransport und Temperaturabhangigkei t der
Leitfahigkeit bei Oxiden der Dbergangsmetalle ••..•...• 133
3.3 Temperaturabhangigkeit des elektrischen Widerstands
des HeiBleiters • • . • . • • • . • . . . . . .. 137
3.4 Bauformen .......•.. · .• 137
3.4.1 TablettenheiBleiter (Scheiben, discs, wafers) • .. 138
10
3.4.2 PerlenheiBleiter .•••..••.•...........•... 138
3.5 Die Herstellungsmethoden und ihr EinfluB auf die
Eigenschaften •..•..•........•.•..••••.•.•.•• 139
3.6 Eigenschaften der HeiBleiter •.•....•..•.•.•••..•. 141
3.6.1 Widerstands-Temperatur-Kennlinie R(T) •..•.••• 141
3.6.2 Spannungs-Strom -Kennlinie ...•.•••••.•••••• 142
3. 6. 3 Thermische Zei tkonstante • • • . . • • • . • . . . • . . •• 14 5
3.6.4 Strom-Zeit-Kennlinie •.•..•••••.•..•••.•.• 146
3.6.5 Streuung der Widerstandskennlinie;
Fertigungstoleranz •...•.• " ..•...•....•••. 146
3.6.6 Langzeitstabilitat ........•..••••.•.....•• 148
3.6.7 Linearisierung der R-T-Kennlinie ........•.•.. 149
3.6.8 HeiBleiter in Bruckenschaltungen ••....••••••• 152
3.7 Anwendungen .......•....•.....•.••.•....••. 153
3.7. 1 Anwendungsgebiete •.....•.••••.....••••. 153
3.7.2 HochtemperaturheiBleiter ...••••••..•.•.... 154
3.7.3 HeiBleiter fur medizinische Anwendungen;
Austauschbarkeit der Exemplare •.........•.• 156
3.7.4 Anzugs- und Abfallverzogerung von Relais
(AnlaBheiBleiter) •.•.••.....•.•....•...•• 157
3.7.5 Spannungsregelung (RegelheiBleiter) .......•..• 158
3.7.6 Fremdgeheizte HeiBleiter ...••••••••.•••..• 159
Literaturverzeichnis ...•...•.•.•..••••.•..••••••• 160
Bezeichnungen und Symbole •..•..••...••....••.•... 162
4 Kaltleiter (L. Hanke) ••••••••••..•••...•..••••••• 164
4.0 Einlei tung . • . . . • • • • • . • • . • . • . • . . • • • • • • • . . • •• 164
4. 1 Grundeigenschaften ..•.•.....•...•••...•.••.•• 165
4.1.1 Die Widerstands-Temperatur-Kennlinie •..••••.• 165
4. 1. 2 Der EinfluB von Spannung und Fr"equenz ..•.•••.• 167
4.1.3 Ersatzschaltbild, Modellvorstell ungen .••••.••. 169
4.2 Material .........••.......•...•••••••..•.• 171
4.2.1 Chemische Zusammensetzung ..•......•...•. 171
4.2.2 Kristallstruktur, Ferroelektrizitat ••....••.••• 171
4.2.3 Dotierung, Leitfahigkeit ......••..•..••.•.. 173
4.2.4 Herstellung •.•.•..•.......•....•..••••. 176
4.3 Physikalische Grundlagen •.••.....••........•..• 178
4.3.1 Die Theorie des Kaltleitereffekts ............. 178
11
4.3.2 Die Bedeutung der Gitterleerstellen ••... · .. 182
4. 3 • 3 Die Entstehung der Sperrschichten • .. 185
4.4 An wendungen . . • . • • . . • • . • • . . . • • . • ••••. 187
4.4.1 Der keramische Kaltleiter als Temperatursensor ••• 187
4.4.2 Die stationare Strom-Spannungs-Kennlinie ••••••• 188
4.4.3 Niveau- und Stromungssensoren . • •. 190
4.4.4 Selbstregelnde Heizelemente •.• · •. 192
4.4.5 Uberlastschutz •.••.•..•••. · •. 193
4.4.6 Der keramische Kaltleiter als Verzogerungsglied •. 194
4.4.7 Allgemeine Hinweise fUr den Einsatz
keramischer Kaltleiter .•.....•.•.••• · •• 197
Literaturverzeichnis •...•...••••..• • •• 198
Bezeichnungen und Symbole .. • ••.•• 199
5 Varistoren (R. Einzinger). · •.••. 201
5.0 Einleitung •..•.•••• • •.•. 201
5.1 Varistor-Grundmaterialien. • .202
5. 1. 1 Siliziumkarbid ••. • .202
5. 1. 2 Zinkoxid •.••••. • ••.. 204
5.2 KenngroBen und Eigenschaften von Varistoren • •. 205
5. 2. 1 KenngroBen. • · .• 205
5.2.2 Eigenschaften .209
5.3 Leitfahigkeitsmechanismen • .212
5.3.1 SiC-Varistor •.. .212
5.3.2 ZnO-Varistor •• . .••......•. 219
5.4 Bauarten und Anwendungsbeispiele •••.. · .••• 232
Literaturverzeichnis ..••.••. • .•.• 236
Bezeichnungen und Symbole .•.• • •••.. 238
Sachverzeichnis •...•.•••..•.••....•.....••..••... 240
12
