Table Of ContentW. GUGGENBÜHL IM. J. 0. STRUTT I W. WUNDERLIN
HALBLEITERBAUELEMENTE
LEHR- UND HANDBÜCHER
DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN
BAND 25
HALBLEITER
BAUELEMENTE
von
WALTER GUGGENBÜHL
Dr. sc. techn., Privatdozent an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich
MAX J. 0. STR UTT
Dr. techn., Dr.-Il)g. e.h., Ordentlicher Professor und Vorsteher des Instituts für
Höhere Elektrotechnik der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich
WILLY WUNDERLIN
dipl. El.-Ing. ETH, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für
Höhere Elektrotechnik der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich
Band I
Halbleiter und Halbleiterdioden
1962
Springer Basel AG
Nachdruck verboten
Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen und der
Reproduktion auf photostatischem Wege oder durch Mikrofilm verboten.
@ Springer Basel AG 1962
Ursprünglich erschienen bei Birkhäuser Verlag Basel1962.
Softcover reprint of the bardeover 1st edition 1962
ISBN 978-3-0348-6855-6 ISBN 978-3-0348-6854-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-0348-6854-9
5
VORWORT
Seit 1948, dem Jahr der Entdeckung des Transistoreffektes, hat die Halb
leitertechnik einen grossen Aufschwung erlebt. Ein immer grösserer Kreis
der in der Elektronik und den angrenzenden Gebieten Tätigen kommt mit
Halbleiterbauelementen in Berührung und hat sich mit deren Grundlagen
und Eigenschaften zu befassen. Während im englischen Sprachgebiet bereits
zahlreiche Bücher über dieses Fachgebiet erschienen sind, weist das betref
fende deutsche Schrifttum noch verhältnismässig wenig zusammenfassende
Darstellungen auf. Wir glauben deshalb, mit dem vorliegenden Buch über
die Eigenschaften der Halbleiterbauelemente eine gewisse Lücke ausfüllen
zu helfen.
Die ersten Arbeiten zu diesem Band liegen schon einige Jahre zurück.
Es mussten daher im Laufe der Zeit etliche Teile der ursprünglichen Manu
skripte umgearbeitet und ergänzt werden. Dabei war es unvermeidlich, eine
grosse Zahlneuerer Untersuchungen von Detailproblemen etwas kürzer zu
besprechen als Beiträge älteren Datums. Die zahlreichen Literaturzitate er
leichtern jedoch dem interessierten Leser den Zugang zu diesen Spezial
arbeiten. Das rasche Anwachsen des zu verarbeitenden Stoffes hatte ausser
dem zur Folge, dass ein ursprünglich geplanter dritter Hauptabschnitt über
Transistoren für einen zweiten Band zurückgestellt werden musste. Auch
das Rauschen von Halbleiterbauelementen soll dort behandelt werden.
Der vorliegende erste Band ist den Eigenschaften der Halbleiter und
Halbleiterdioden gewidmet. Massgebend für die Darstellung des Stoffes war
das Ziel, die wichtigsten Begriffe der Halbleiterphysik und die Wirkungs
weise der Dioden in einer für Ingenieure verständlichen Form zu beschreiben.
Die physikalischen Grundlagen der Halbleiter sind dabei nur soweit bespro
chen, als zum Verständnis der Transport- und Speicherprozesse in Dioden
und Transistoren erforderlich ist. Im ersten Kapitel wird zur Erläuterung des
Leitungsmechanismus sowohl ein atomistisches Modell als auch das Energie
bändermodell behandelt. Bei den Dioden ist auf die formale Berechnung mit
Hilfe der sogenannten Quasi-Fermi-Niveaus verzichtet, und die anschau
lichere Methode der inneren elektrostatischen Potentiale und Quasi-Gleich
gewichtszustände in Gasen vorgezogen werden.
Bei der Ausarbeitung des Manuskriptes, der Anfertigung der Figuren
und der Korrektur des Textes haben uns zahlreiche Mitarbeiter des Institutes
für Höhere Elektrotechnik der Eidgenössischen Technischen Hochschule in
Zürich, insbesondere die Herren Dr. R. VUILLEUMIER, dipl. Ing. H. MEL
CHIOR, dipl. Ing. F. K. REINHART und dipl. Phys. M. SANCHEZ in dankens
werter Weise unterstützt. Den Firmen AG Brown, Boveri & Cie., Siemens &
6 Vorwort
Halske AG und Texas Instruments Inc. sei auch an dieser Stelle für die uns
zur Verfügung gestellten Unterlagen bestens gedankt. Dem Birkhäuser
V erlag sind wir für die verständnisvolle Berücksichtigung zahlreicher
Wünsche und für die vorbildliche Gestaltung des Bandes zu besonderem
Dank verpflichtet.
Zürich, Juni 1962
Die Verfasser
INHALTSVERZEICHNIS
Symbolverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1 Eigenschaften der Halbleiter ................................. . 17
1.1 Was sind Halbleiter ............................................. . 17
1.2 Qualitative Beschreibung des Leitungsmechanismus in Halbleitern ....... . 18
1. 2.1 Die elektrische Leitfähigkeit eines Festkörpers. Der Begriff «Beweglich-
keit & eines Ladungsträgers ...................................... . 18
1.2.2 Die Eigenleitung von Halbleiterkristallen .......................... . 19
1. 2. 3 Störstellenleitung in Halbleitern, Donoren, Akzeptoren, n-Leitung,
p-Leitung ..................................................... . 21
1.3 Das Bändermodell der Halbleiter ................................... . 26
1.3.1 Der Begriff Energieband. Aussagen des Bändermodells über den Lei-
tungstyp eines Festkörpers ...................................... . 26
1. 3. 2 Bändermodelle der Halbleiter .................................... . 28
1.4 Quantitative Behandlung einiger Halbleitereigenschaften im thermodyna-
mischen Gleichgewicht ........................................... . 30
1.4.1 Das freie Elektronengas ......................................... . 31
1.4.2 Das nichtentartete Elektronengas im Kristall ....................... . 36
1.5 Die Beweglichkeit der Ladungsträger ............................... . 43
1.6 Nichtgleichgewicht der Trägerkonzentrationen. Charakteristische Zeiten .. . 50
1. 6.1 Abweichungen der Majoritätsträgerkonzentration von der Gleichge-
wichtskonzentration. Die dielektrische Relaxationszeit ............... . 50
1.6.2 Abweichung der Minoritätsträgerkonzentration von der Gleichgewichts
konzentration. Neuerzeugung und Rekombination von Trägern. Die
Lebensdauer der Minoritätsträger ................................ . 52
1.7 Diffusionsströme in Halbleitern ................................... . 57
1.8 Strom-und Kontinuitätsgleichungen ................................ . 60
1.9 Oberflächeneffekte bei Halbleitern .................................. . 63
1. 9.1 Modellvorstellungen für die Vorgänge an der Oberfläche ............. . 63
1. 9.2 Die Oberflächenrekombination ................................... . 67
1.10 Die Erzeugung fehlerfreier Halbleiterkristalle ........................ . 69
2 Eigenschaften der Halbleiterdioden ........................... . 77
2.1 Der p-n-Vbergang bei kleinen Stromdichten und vernachlässigbarer Rekom-
bination in der Sperrschicht ...................................... . 77
2.1.1 Wirkungsweise und Modellvorstellungen .......................... . 77
2.1. 2 Zusammenhang zwischen Ladungsträgerkonzentration und Spannung
über der Sperrschicht ........................................... . 85
2.1.3 Die Konzentration der Minoritätsträger in den Bahngebieten ......... . 88
2.1.4 Diodenkennlinie und Diffusionsadmittanz .......................... . 90
2.1.5 Sperrschichtdicke und Sperrschichtkapazität ...................... . 95
2.1.6 Leitfähigkeitsmässig unsymmetrische p-n-Übergänge ............... . 102
2.1. 7 Vollständiges Ersatzschaltbild eines p-n-Übergangs bei kleinen Strom-
dichten ......................•................................. 103
8 Inhalt
2.1.8 Zweidimensionales Modell eines p-n-Übergangs ..................... . 105
2.2 Abweichungen vom einfachen Diffusionsmodell des p-n-Übergangs ....... . 106
2.2.1 Einleitung .................................................... . 106
2.2.2 Oberflächeneffekte ............................................. . 108
2.2.3 Berücksichtigung der Neuerzeugung und Rekombination in der Sperr-
schicht. Siliziumdioden ......................................... . 108
2.2.4 Der p-n-Übergang bei hohen Stromdichten ........................ . 112
2. 2. 4. 1 Die Gleichstromkennlinie ............................... . 112
2.2.4.2 Das Wechselstromverhalten .............................. . 120
2. 3 Sehr hoch dotierte p-n-Übergänge. Tunneldioden ..................... . 124
2. 3. 1 Der Tunneleffekt .............................................. . 124
2. 3. 2 Transportvorgänge in Tunneldioden ............................... . 127
2. 3. 3 Kennlinien und Ersatzschaltbild der Tunneldiode ................... . 133
2. 4 Der p-n-Übergang im Rückwärtsgebiet ............................. . 139
2. 4. 1 Einleitung .................................................... . 139
2.4.2 Durchbruch infolge des Tunneleffektes. Zener-Durchbruch ........... . 141
2. 4. 3 Durchbruch infolge der Trägermultiplikation. Lawinendurchbruch ..... . 144
2. 4. 4 Durchbruch infolge thermischer Instabilität ....................... . 153
2. 5 p-i-n~ und p-s-n-Dioden ......................................... . 154
2. 6 Metall-Halbleiter-Kontakte. Die Erzeugung Ohmscher Kontakte ........ . 156
2. 7 Spitzendioden .................................................. . 160
2. 8 Selen- und Kupferoxydulgleichrichter ............................... . 166
2. 9 Vergleich der Kennlinien verschiedener Gleichrichter .................. . 169
2.10 Sperrschicht-Photoeffekt. Photodioden. Sonnenbatterien ................ . 171
2. ll Die Herstellteng von p-n-Übergängen und Dioden .................... . 175
2. 11. 1 Einleitung .................................................... . 175
2. 11 . 2 Ziehv erfahren ................................................. . 176
2. 11. 3 Legierungsverfahren ............................................ . 178
2 . 11 . 4 Diffusionsverfahren ............................................ . 180
2.11.5 Beispiele für den mechanischen Aufbau ........................... . 184
2.12 Temperaturabhängigkeit der Kennlinien ............................ . 189
2. 12. 1 Einleitung .................................................... . 189
2. 12. 2 Rückwärtssperrgebiet .......................................... . 191
2. 12. 3 Vorwärtsgebiet ................................................. . 195
2.12.4 Durchbruchsgebiet ............................................. . 198
2. 12. 5 Tunneldioden ................................................. . 200
2. 13 Thermische Belastbarkeit, Kühlprobleme und thermische Stabilität ....... . 203
2.14 Schaltverhalten ................................................. . 212
2. 14. 1 Einleitung .................................................... . 212
2. 14. 2 Leerlaufspannung nach dem Abschalten des Vorwärtsstromes ......... . 212
2. 14. 3 Schalten vom Vorwärtsgebiet ins Sperrgebiet ....................... . 21.5
2.14.4 Schalten vom Durchbruchsgebiet ins Sperrgebiet ................... . 22.5
2. 14. 5 Einschaltvorgänge ............................................. . 22.5
2. 14. 6 Schaltverhalten von Tunneldioden ............................... . 226
2. 15 Exemplarsteuerung, Alterungserscheinungen und A usfallhäufigkeit. ..... . 227
Literaturverzeichnis ................................................... . 235
="amenverzeichnis ..................................................... . 247
Sachverzeichnis ....................................................... . 2.51
9
SYMBOLVERZEICHNIS
l. Sämtliche Gleichungen sind Grössengleichungen im rationalen Maßsystem.
2. Schreibweise für
a) Einheiten: gewöhnlich (cm, V, W)
b) Grössen (skalar): kursiv (I, T, U)
c) Operatoren: gewöhnlich (d, div, ~)
d) Vektoren: halbfett(D, E, H)
e) Zeiger: halbfett kursiv (I, U, z)
3. Spannungen und Ströme sind im allgemeinen mit einem Buchstaben als Index ver
sehen. Durch die Anwendung der im folgenden angedeuteten Regel können auf ein
fache Weise Momentanwerte, Gleichstromwerte und Wechselanteile unterschieden
werden:
Grundsymbol: Kleinbuchstabe: Momentan wert.
Grossbuchstabe: Wert, der sich aus dem Verhalten über
eine bestimmte Zeit ergibt, zum Beispiel
Effektivwert, Gleichstromwert.
Index: Kleinbuchstabe: Reine Wechselstromkomponente.
Grassbuchstabe: Gleichstromkomponente, Totalw ert.
Vergleiche auch: Regeln und Leitsätze für Buchstabensymbole und Zeichen, Liste 8f,
Publikation SEV 0192, 1959 (Schweizerischer Elektrotechnischer Verein, Zürich
1959), und 56 IRE Standards on Letter Symbols for Semiconductor Devices, Proc.
I.R.E. 44, 934-937 (1956).
4. Verzeichnis der wichtigsten Symbole (falls ein Symbol verschiedene Bedeutungen
hat, ist es mehrmals aufgeführt).
A Querschnitt
AX neutraler Akzeptor
A- einfach negativ geladener Akzeptor
a Gitterkonstante
a Steigungsmass der resultierenden Störstellenkonzentration
al• a2 Amplitudenwerte
B magnetische Induktion
b Beweglichkeit der Ladungsträger
b' Teilchenbeweglichkeit im Schwerefeld
bl, b. Amplitudenwerte
bnrift Driftbeweglichkeit
bHal! Hall-Beweglichkeit
bn Beweglichkeit der Elektronen
bno Beweglichkeit der Elektronen bei kleinen elektrischen Feldern
bnn Beweglichkeit der Elektronen im n-Material
bnp Beweglichkeit der Elektronen im p-Material
bp Beweglichkeit der Löcher
bpn Beweglichkeit der Löcher im n-Material
bpp Beweglichkeit der Löcher im p-Material
