Transistoren: Physikalische Grundlagen und Eigenschaften

510 Pages·1965·20.504 MB·German

by  Reinhold Paul (auth.)

Reinhold Paul
TRANSISTOREN
Reinhold Paul
TRANSISTOREN
Physikalisme Grundlagen
und Eigensmaften
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-663-00826-2 ISBN 978-3-663-02739-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-02739-3
Alle Rechte vorbehalten. Copyright 1965 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlag. Braunschweig 1965
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1 965
Teilauflage : Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Braunschweig
Schutzumschlag: .Kurt Beckert
VORWORT
Als vor nunmehr rd. 15 Jahren das Transistorprinzip bekannt wurde, ahnte wohl niemand
die technische Tragweite dieser Entdeckung. In der Zwischenzeit stiegen die Produktions
zahlen dieser Bauelemente von Jahr zu Jahr. Allein in.r apan erwartete man für 1964 etwa
300 Millionen Transistoren. Das ist um so bemerkenswerter, als der Transistor von Anfang
an keine sehr günstige Startbasis hatte, denn die ersten Spitzentransistoren waren keine
besonders zuverlässigen Bauelemente. In der Zwischenzeit wurde und wird noch in vielen
Laboratorien unentwegt gearbeitet, um aus dem "aus der Physik der Dreckeffekte" hervor_
gegangenen Bauelement ein solches ho her Zuverlässigkeit und möglichst flexibler elektrischer
Eigenschaften zu erhalten. Darüber hinaus wurde der Transistor zum Keim einer neuen
Technik, der Mikroelektronik, die zweifelsohne das Gepräge der Schaltungstechnik in nicht
allzu ferner Zeit verschieben wird.
Die in der Vergangenheit durchlaufene Entwicklung des Transistors geschah in starkem
Maße unter Beibehaltung des Minoritätssteuerprinzips und ist durch die Etappen: Flüchen
transistor mit homogener Basis, Drift-, Mesa-, Epitaxial- und Plan ar transistor gekennzeich
net. Es kann bereits heute als wahrscheinlich gelten, daß diese Konstruktionen gewisse Voll
kommenheit besitzen und die Grenzen der Entwicklung abzusehen sind, falls nicht bisher
unbekannte Effekte Verlagerungen bringen. Gewiß werden sich durch Anwendung neuer
Materialien und sonstige Verbesserungen neue Typen mit besseren Kennwerten und Eigen
schaften herstellen lassen, doch an der prinzipiellen Wirkungsweise wird sich wenig ändern.
Dieser derzeitige Stand der Technik ermutigte vor einiger Zeit, die Grundprinzipien und
Eigenschaften des Transistors, meßtechnische Fragen und vor allem Schaltungs anwendungen
in einer Übersicht darzulegen. Allerdings zeigte sich sehr bald, daß ein derartiges Vor
haben den Rahmen eines Bandes erheblich übersteigen würde, sollte es einigermaßen um
fassend sein. Daher mußten meßtechnische und applikative Fragen zunächst zurück
gestellt werden, um an anderer Stelle dafür um so eingehender zur Sprache zu kommen.
Das vorliegende Buch wendet sich sowohl an den Entwickler als auch an den Anwender
von Transistoren; an letzteren besonders, indem es den elektrischen Eigenschaften des
Bauelements betont Rechnung trägt.
Es zeigt sich nämlich, daß der Einsatz des Transistors auf Grund seiner komplizierten
Wirkungsweise und seiner Überlastungsempfindlichkeit eine viel eingehendere Kenntnis der
elektrischen Vorgänge vom Anwender verlangt, als etwa so "primitive" Bauelemente wie
Elektronenröhren.
Diese elektronischen Vorgänge in der Sprache des Elektrotechnikers darzustellen, also
letztlich die Zusammenhänge zwischen ihnen und den an den Anschlußklemmen registrier
baren Eigenschaften aufzuzeigen und auf eine für die Anwendung zweckmäßige Form vor
zubereiten, ist der tiefere Zweck des Buches.
Ein solches Vorgehen konnte nicht an den Vorgängen meist störender Art vorbeigehen,
die in den heutigen, im Bereich der Grenzbelastungen arbeitenden Transistoren neben dem
Grundmechanismus ablaufen, selbst angesichts der Tatsache, daß manche Vorgänge z. Z.
nur sehr global erfaßbar sind. Hier bleibt mancherorts noch reichlich Gelegenheit zu eigenen
Ideen und Lösungen des Lesers.
Solche, in erster Linie sachlichen Gründe waren es, von vornherein monographischen Dar
stellungscharakter zu wählen, und dafür die Mitarbeit des Lesers stärker mit einzubeziehen.
Daß dennoch gewisse didaktische Momente, wie z. B. der Kleindruck einiger für den ersten
6 Vorwort
Überblick entbehrlicher Textstellen, Beschränkung der Herleitung von Gleichungen auf
ein Mindestmaß sowie häufige Seitenverweisung berücksichtigt wurden, dürfte der Dar
stellung weniger abträglich sein. Dadurch wird auch der Lernende leichter in die Materie
eingeführt, um schließlich bis zum gegenwärtigen Entwicklungsstand (Ende 1963) vorzu
dringen. Literaturquellen sind ihm dabei Wegweiser zu eigener Arbeit; einige mit aufgenom
mene englische Termini bequeme Hilfsmittel.
Die angemessene Berücksichtigung der überaus zahlreichen und verstreuten Literatur
machte erforderlich, in erster Linie die jüngeren Arbeiten heranzuziehen, ohne damit eine
Wertung älterer Quellen zu verbinden. Auch die historische Literatur wurde nicht berührt,
denn die Verdienste einzelner Forscher, wie z. B. Schottky, Shockley, Early u. a. m., um
die Halbleiterentwicklung sind allgemein anerkannt.
Von der stofflichen Gestaltung her werden in den ersten 9 Abschnitten nach den Trans
portphänomenen und den Eigenschaften des pn-Übergangs die Grundlagen des Transistors
nebst kurzer übersicht der verschiedenen Herstellungsverfahren behandelt. Dieser Stoff
ist im großen und ganzen in sich abgeschlossen. Der anschließende größere Teil um faßt die
Eigenschaften aus elektronischer Sicht, also das, was die notwendige Grundlage für die
Anwendung ist. Verstanden werden darunter Kennlinienfelder, Niederfrequenzparameter,
Frequenzeinfluß, Grenzfrequenzen, Ersatzschaltbilder, Impulsverhalten, Rauschen und
thermische Probleme, um die wichtigsten zu nennen.
Wie erwähnt, scheinen die Möglichkeiten des Minoritätssteuerprinzips ausgeschöpft zu
sein, und so nimmt es nicht wunder, wenn man sich in letzter Zeit wieder dem an sich alten
Majoritätssteuerprinzip zugewendet hat, das mit teilweise polykristallinen Strukturen tech
nologisch einige Vorteile zu bringen verspricht. Erinnert sei hier an die Bezeichnungen Dünn
filmtransistor und Dünnfilmtriode. Dieser, sich in nächster Zeit möglicherweise vollziehende
Wandel in der Entwicklungsrichtung war der Grund dafür, einen vorbereiteten Abschnitt
über weitere Transistorarten vorläufig zurückzustellen, um nicht Gefahr zu laufen, daß er
schon während der Drucklegung stark ergänzungsbedürftig wird.
Ich hatte das Glück, einen großen Teil der Halbleiterentwicklung unter der Anleitung
meines hochverdienten, erfahrenen Lehrers und Forschers Prof. Dr. habil. G. Mierdel
erleben zu dürfen. Bereits 1948 erkannte er in einer in der tschechischen Literatur erschiene
nen Arbeit die Bedeutung des damals eben entdeckten Transistorprinzips. So erscheinen die
vor rd. 10 Jahren an einer Ausbildungs- und Forschungsstätte begonnenen Entwicklungs
arbeiten auf dem Gebiet der Halbleitertechnik als Folgerung dieser Weitsicht. Mir bleibt
die bescheidene Aufgabe, Herrn Prof. Dr. habil. G. Mierdel für die tatkräftige Förderung
speziell am Zustande kommen dieses Manuskripts aufrichtig zu danken. Herr Prof. Dr.-Ing.
habil. K. Lunze war jederzeit ein anregender und hilfeleistender Diskussionspartner.
Zu danken habe ich auch Herrn Prof. Dr. phil M. Falter für die Unterstützung in manchen
Detailproblemen.
Herr Dipl.-Ing. H. G. Schulz hat sich in anerkennenswerter Weise der Mühe des Korrektur
lesens mit unterzogen, wofür ich ihm herzlich danke.
R. Paul
1 N HALT5VERZE1 CHN 15
Schreibweise und Formelzeichen der wichtigsten Größen .......................... 13
PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DES TRANSISTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19
1. Leitungsmechanismus im Halbleiter • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19
1.1. Leitungsmechanismus im reinen Halbleiterkristall (Eigenleitung, Beweglichkeit,
Leitfähigkeit) .......................................................... 20
1.2. Leitungsmechanismus im verunreinigten Halbleiterkristall (Störstellenleitung) . 24
1.2.1. Donatoren und Akzeptoren . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
1.2.1.1. Überschußelektronenleitung. Elektronenleitung .................... 25
1.2.1.2. Mangelelektronenleitung. Defektelektronenleitung .................. 25
1.2.2. Beweglichkeit. Leitfähigkeit . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27
1.2.3. Neutralitätsbedingung ........................................... 30
2. Das gestörte thermodynamische Gleiehgewicht .............................. 32
2.1. Ladungsträgerbewegung ................................................ 32
2.1.1. Transportgleichung ............................................. 32
2.1.2. Kontinuitätsgleichung ........................................... 34
2.1.3. Poissonsche Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
2.2. Zeitliches Verhalten eines gestörten thermodynamischen Gleichgewichts-
zustandes ............................................................. 35
2.2.1. Störung der Majoritätskonzentration (Relaxationszeit) .............. 35
2.2.2. Störung der Minoritätskonzentration (Generation, Rekombination,
Lebensdauer) ................................................... 36
3. pn-tlbergang .......................................................... 40
3.1. pn-Übergang im thermodynamischen Gleichgewicht ........................ 42
3.1.1. Ladungsträgerkonzentration und Potential im stromlosen Zustand.
Diffusionsspannung ............................................. 44
3.1.2. Potentialverlauf in der Sperrschicht. Sperrschichtbreite . . . . . . . . . . . .. 48
3.2. Stromdurchflossener pn-Übergang •...................................... 51
3.2.1. Trägerverteilung an den Rändern der Sperrschicht bei äußerer Spannung 51
3.2.2. Konzentration der Minoritäten in den Bahngebieten ................. 54
3.2.3. Randwertaufgabe für die Stromdichte. Kennliniengleichung .......... 58
3.2.4. Strom-Spannungs-Verhalten im dynamischen Betrieb ................ 61
3.2.4.1. Vorgänge in den Bahngebieten ................................... 61
3.2.4.2. Sperrschichtbreite als Funktion der Sperrschichtspannung ........... 67
3.2.4.3. Ersatzschaltung ....................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73
8 Inhaltsverzeichnis
3.3. Einfluß weiterer Effekte auf das Verhalten des pn-Übergangs ............... 74
3.3.1. Oberflächeneinfluß .. . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . . . .. . .. 75
3.3.2. Mehrdimensionale Trägerbewegung . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.3. Generation und Rekombination von Ladungsträgerpaaren in der Sperr-
schicht. . .. . . . ... . . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.4. Durchbrucheffekte ............................................. 80
3.3.4.1. Zenerdurchbruch ............................................... 80
3.3.4.2. Lawinendurchbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81
4. Diffusionstransistor. Statisches Verhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84
4.1. Übergang von der pn-Zone zur pnp-Zonenfolge ............................ 84
4.2. Trägerkonzentration des Diffusionstransistors. Betriebsbereiche. Ladungsver-
hältnisse in der Basis .................................................. 89
4.3. Strom-Spannungs-Gleichungen des Transistors ............................ 95
4.3.1. Grundgleichungen .............................................. 95
4.3.2. Strom-Spannungs-Gleichungen unter Benutzung von Meßgrößen ..... 97
4.3.3. Stromauft eilung innerhalb des Basisraums. Ersatzschaltung . . . . . . . . .. 100
5. Dynamisches Verhalten des Diffusionstransistors ........................... 103
5.1. Minoritätskonzentration und Strom-Spannungs-Zusammenhang bei sinusförmi-
ger Änderung der Sperrschichtspannung .................................. 104
5.2. Einfluß der Sperrschichtmodulation auf das Diffusionsmodell (Earlyeffekt) ... 110
5.3. Ersatzschaltung des inneren Transistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 114
5.4. Raumladekapazitäten ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 115
6. Drifttransistor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 116
6.1. Statisches Verhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
6.2. Dynamisches Verhalten ................................................. 124
6.2.1. Minoritätskonzentration und Strom-Spannungs-Zusammenhang bei
sinusförmigen Sperrschicht spannungen ............................ 124
6.2.2. Berücksichtigung der Sperrschichtmodulation ...................... 127
7. Der äußere Transistor .................................................. 130
7.1. Einfluß der Bahnwiderstände ........................................... 131
7.2. Basiswiderstandsmodulation ............................................ 135
8. Besondere physikalische Effekte .............. ,.......................... 135
8.1. Oberflächenrekombination .............................................. 139
8.2. Generation und Rekombination von Ladungsträgern in der Sperrschicht. . . . .. 143
8.3. Hochinjektionsverhalten ............................................... 144
8.3.1. Vorgänge im Basisraum bei Hochinjektion ........................ 146
8.3.2. Emitterwirkungsgrad. Transportfaktor ............................ 153
8.3.3. Stromverstärkung .............................................. 155
8.4. Randverdrängung der injizierten Ladungsträger (frinching-effect) ............ 156
1 nhaltsverzeiclmis 9
8.5. Sperrsehiehtmodulation. Sperrschichtdurchgriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 157
8.6. Kollektormultiplikationseffekte ......................................... 158
8.6.1. Laufzeit durch die Kollektorsperrsehicht .......................... 159
8.6.2. Kollektorvolumenvervielfachung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 161
8.6.3. Lawinenvervielfachung ......................................... 162
8.7. Rückinjektion (Thyristoreffekt) ................................ : . . . . . . . .. 162
8.8. Kollektorsperrschichtmodifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 163
9. Technische Ausführungsformen von Flächentransistoren .................... 164
9.1. Ausgangsmaterialien ................................................... 165
9.2. Herstellungsverfahren .................................................. 166
9.2. L Legierungsverfahren ............................................ 167
!J.2.2. Ziehverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 170
!J.2.3. Diffusionsverfahren ............................................. 172
9.2.1,. Mit Diffusion kombinierte Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175
9.2.1,.1. Zieh· und Diffusionstechnik ..................................... 175
9.2.4.2. Legierungs· und Diffusionstechnik ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 176
9.2.5. Elektrochemisches Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 179
9.2.6. Epitaxialtechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 179
9.2.7. Planartechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 180
9.3. Bauformen. Ausführungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 182
9.3.1. Stabbauform .................................................. 182
9.3.2. Plättchenbauform .............................................. 182
fJ.3.3. Mesabauform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 183
9.3.1,. Ausführungsformen ............................................ , 184
9.4. Hochfrequenz·, Leistungs· und Schalttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 188
TECHNISCHE EIGENSCHAFTEN UND KENNWERTE .......................... 189
10. Statisches Verhalten (Kennliniendarstellungen) ............................. 191
10.1. Kennlinienfelder der Basisschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 192
10.1.1. Ausgangskennlinienfeld Ic = f( UC ' B' 1I E, [j E'B' • • • . . . • • • • • • • • . . • • • •• 192
10.1.2. Eingangskennlinienfeld I E = f( U E' B') U O'B', 10 • • • • • . . • • • • • • • • • • • • •• 199
10.1.3. Stromübertragungskennlinienfeld Ic = f(IE)uE'B', UO'B' ••••••••••••• 200
10.1.4. Spannungsübertragungskennlinienfeld UC'B' = f(UE'B')IE, Ie ....... 202
10.2. Kennlinienfelder der Emitterschaltung ................................... 202
10.2.1. Ausgangskennlinienfeld Ic = f(UC'E')IB, UB'E' •.....••.•.•••••••..• 203
10.2.2. Eingangskennlinienfeld I B = {( U B' E') ......•........... . . . . . . .. 205
10.2.3. Stromübertragungskennlinienfeld Ic = {(IB )U O'E' .•••••••••.••••••• 207
10.2.4. Spannungsübertragungskennlinienfeld U B' E' = f( U C' E' lJ B •••••••••• 208
10.3. Temperatureinfluß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 208
11. Abgrenzung des ausnutzbaren Kennlinienbereichs .......................... 213
11.1. Kollektorrestströme IcBo, ICEO' ICBK ......••••••......... ; ....•..•.... 214
10 Inhaltsverzeichnis
11.2. Maximale Kollektorspannung ........................................... 215
11.2.1. Durchgreifspannung Up t ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 217
11.2.2. Lawinendurchbruchspannung ................................... 217
11.3. Maximaler Kollektorstrom. Einschnüreffekt ............................... 223
11.4. Kollektorrestspannung. Kollektorsättigungsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 225
11.5. Verlustleistung ........................................................ 228
12. Lineare Eigenschaften des Transistors 229
12.1. Verhalten der Kennlinie gegenüber Strom-Spannungs-Änderungen. . . . . . . . . . .. 229
12.2. Vierpol darstellung in verschiedenen Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 233
12.3. Formale Vierpolersatzschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 236
12.4. Zusammenhänge zwischen Elementen der Ersatzschaltung und Vierpol parametern 239
12.5. Der Vierpol in der Schaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 241i
12.5.1. Ein- und Ausgangswiderstände .................................. 245
12.5.2. Verstärkungsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 248
13. Vierpolkennwerte bei tiefen Frequenzen ................................... 250
13.1. Vierpolkennwerte des inneren Transistors ................................. 250
13.2. Vierpolkennwerte des äußeren Transistors ................................. 251
13.2.1. Basisschaltung ................................................ 252
13.2.2. Emitterschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 253
13.2.3. Betriebsgrößen ................................................ 254
13.3. Temperatureinfluß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 256
13.4. Arbeitspunkteinfluß ................................................... 259
14. Frequenzverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 269
14.1. Frequenzgänge einiger innerer Vierpolparameter ........................... 270
14.2. Elemente der inneren Transistorersatzschaltung ........................... 277
15. Ersatzschaltungen ...................................................... 281
15.1. Analogiedarstellung des inneren Transistors ............................... 282
15.2. Ersatzschaltbilder und ihre physikalische Begründung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 287
15.2.1. Physikalische Ersatzschaltungen ................................. 289
15.2.2. Praktische Ersatzschaltungen (Basisschaltung) .................... 291
15.2.2.1. Ersatzschaltung nach Zawels ................................... 292
15.2.2.2. Ersatzschaltung nach Early .................................... 294
15.2.2.3. Ersatzschaltung nach Pritchard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 297
15.2.2.4. Andere Ersatzschaltungen ...................................... 297
15.2.3. Praktische Ersatzschaltungen (Emitterschaltung) . . . . . . . . . . . . . . . . .. 300
15.2.3.1. Ersatzschaltung nach Zawels ................................... 300
15.2.3.2. Ersatzschaltung nach Giacoletto ................................. 301
15.2.3.3. Ersatzschaltung nach Pritchard •................................ 301