Halbleiterbauelemente PDF

Halbleiterbauelemente Arbeitsgebiet Datentechnik Elektrotechnik und Nachrichtentechnik Prof. Dr.-Ing. Jürgen Götze für Maschinenbau, Logistik und...

Halbleiterbauelemente Arbeitsgebiet Datentechnik Elektrotechnik und Nachrichtentechnik Prof. Dr.-Ing. Jürgen Götze für Maschinenbau, Logistik und P1-04-214 Informatik https://dt.etit.tu-dortmund.de/ Die Vorlesungsunterlagen wurden zur Verfügung gestellt von Prof. Dr.-Ing. Stephan Frei. Hinweis „Der Nutzerin/dem Nutzer ist bekannt, dass die nachfolgenden Inhalte und Materialien urheberrechtlich geschützt sind. Die Nutzung ist ausschließlich für den persönlichen Gebrauch im Rahmen von universitären Zwecken zulässig. Insbesondere ist die Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und jede Art der Verwertung sowie die Weitergabe an Dritte nicht gestattet. Zuwiderhandlungen werden zivil- und strafrechtlich verfolgt.“ „The user is aware of the fact that the following content and materials are protected by copyright law. Using these materials is strictly limited to personal use within the framework of university purposes. Especially the reproduction, editing, distribution, any kind of utilization as well as the disclosure to third parties is not permitted. Violations will be prosecuted under both civil and criminal law.” Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 2 © AG Datentechnik Halbleiterbauelemente  Wichtigste Bauelemente in elektronischen Schaltungen → Halbleiterbauelemente  Bezeichnung leitet sich vom Material ab  Halbleiter sind hochreine chemische Elemente  Bei T = 0 K reiner Isolator  Mit zunehmendem T thermische Schwingungen der Atome (Valenzelektron ins Leitungsband, „Loch“ im Valenzband)  Eigenleitung (jedes 109 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴)  Verbindungen werden durch gezielte Verunreinigung erst leitfähig Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 3 © AG Datentechnik Materialeigenschaften  Bei Elementen der vierten Hauptgruppe ist die äußere Elektronenschale mit jeweils vier Elektronen besetzt.  Ein Siliziumkristall wird gebildet durch Elektronenpaarbindungen an den vier Valenzelektronen.  Dies bedeutet, dass sich vier Nachbaratome räumlich um ein betrachtetes Si-Atom gruppieren, was zu insgesamt 8 Valenzelektronen führt. Elektron Atomkern Abbildung: Vier durch Elektronen- paarbindungen verbundene Si-Atome Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 4 © AG Datentechnik Materialeigenschaften – n-Dotierung n-Dotierung  Halbleiter sind in reiner Form  Wird ein Atom der 5. Hauptgruppe nichtleitend → Valenzelektronen werden eingebaut, stehen Elektronen, also ausschließlich für negative Ladungsträger, frei beweglich Elektronenpaarbindungen verwendet zur Verfügung.  Fremdatome im Gitter stellen Ladungsträger für Stromfluss zur Verfügung → Dotierung  Bsp.: Ein Phosphoratom (5. Hauptgruppe) stellt ein Elektron zur Verfügung, welches von Atom zu Atom „springen“ kann  Die Leitfähigkeit des Halbleiters erhöht sich mit zunehmender Anzahl der Fremdatome. Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 5 © AG Datentechnik Materialeigenschaften – p-Dotierung p-Dotierung  Bei der „Löcherwanderung“ driften Elektronen in die entgegengesetzte  Wird anstelle eines Atoms aus der 5. Richtung. Hauptgruppe ein Atom der 3. Hauptgruppe in Silizium eingebaut (z.B. B = Bor), so fehlt ein Elektron für die Bindung, es entsteht ein „Loch“.  Scheinbar werden positive Ladungsträger bewegt, daher wird von einer p-Dotierung gesprochen.  Auch bei der p-Dotierung kann die Leitfähigkeit des Halbleiters mit zunehmender Anzahl von Fremdatomen erhöht werden. Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 6 © AG Datentechnik PN-Übergang  Zusammenschluss von n- und p-dotierten Zonen  Ladungsträgertrennung in der Raumladungszone  Stromfluss je nach Polarisierung möglich Gleichrichtereffekt Diode Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 7 © AG Datentechnik Halbleiterdiode – Realisierung und Sperrbetrieb Raumladungszone, keine freien Ladungsträger  Die Raumladung hat ein elektrisches Feld zufolge. - - - - - - + + + + + +  Das E-Feld wiederum führt zu einer Spannung an der - - - - - - + + + + + + Raumladungszone; kein Strom kann durch die Diode fließen, - - - - - - + + + + + + sie sperrt. - - - - - - + + + + + + n-Dotierung p-Dotierung  Wird von außen eine Spannung so angelegt, dass Elektronen dQ/dV zusätzlich aus dem n-dotierten Bereich entnommen und in den + p-dotierten Bereich eingespeist werden, vergrößert sich die Raumladungszone. -  Die Raumladungszone wird daher auch Sperrschicht genannt. E + U - + - - - - - - - + + + + + + - - - - - - + + + + + + K A U - - - - - - + + + + + + - - - - - - + + + + + + Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 8 © AG Datentechnik Halbleiterdiode – Durchlassbetrieb  Bei Umpolung der außen angelegten Spannung verkleinert sich die Raumladungszone, bis sie ab einer bestimmten Spannung verschwindet, die Diode wird leitfähig.  Die Elektronen überschwemmen den p-Bereich und Löcher sind im n-Bereich zu finden. - U + - + - - - - - - + + + + + + I - - - - - - + + + + + + K - - - - - - + + + + + + A - - - - - - + + + + + +  Die Kennliniengleichung der Diode, die den jetzt nichtlinearen UF Zusammenhang zwischen Spannung und Strom wiedergibt, lautet: 𝑈𝑈 𝐼𝐼 = 𝐼𝐼𝑠𝑠 ⋅ 𝑈𝑈 𝑒𝑒 𝑇𝑇 −1 Kennlinie der idealisierten Diode  IS ist der Sättigungsstrom (sehr klein: 10-6 – 10-12 A) und UT die Temperaturspannung (für Silizium bei Raumtemperatur UT =26 mV). Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 9 © AG Datentechnik Halbleiterdiode – Schaltungssymbol und Sperrbetrieb A K p n Schaltungssymbol der Diode  Der Pfeil deutet die Stromflussrichtung der Diode im leitfähigen I Zustand an. -UBR  Dioden werden bei genügend hohen Spannungen in Sperrrichtung ebenfalls leitfähig (Durchbruch), dieser Effekt (Avalanche und UF U Zenereffekt) wird in speziellen Dioden (Zenerdioden) verwendet, um definierte Spannungen zu erzeugen oder zu stabilisieren Durchbruch Kennlinie der realen Diode Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 10 © AG Datentechnik Diode – Beschaltung und Arbeitspunkt I R ID  Maschensatz einer einfachen Schaltung mit Leuchtdiode und Vorwiderstand: U0 D UD 𝑈𝑈𝐷𝐷 = 𝑈𝑈0 − 𝑅𝑅 ⋅ 𝐼𝐼 (1) 𝑈𝑈𝐷𝐷  Die Diode hat die Kennlinie: 𝐼𝐼 = 𝐼𝐼𝑠𝑠 ⋅ 𝑒𝑒 𝑈𝑈𝑇𝑇 − 1 (2) I Diodenkennlinie  Durch Einsetzen ergibt sich Kennlinie der realen 𝑈𝑈𝐷𝐷 I=U0 /R Spannungsquelle 𝑈𝑈𝐷𝐷 = 𝑈𝑈0 − 𝑅𝑅 ⋅ 𝐼𝐼𝑠𝑠 ⋅ 𝑒𝑒 𝑈𝑈𝑇𝑇 −1 UD  Diese Gleichung lässt sich analytisch nicht nach UD auflösen. Arbeitspunkt  Neben der Lösung der Gleichung durch numerische Verfahren bieten sich auch grafische Verfahren an  Die Gleichungen (1) und (2) geben beide je eine Funktion UD=f(I) an, die gesuchte Lösung muss also der Schnittpunkt dieser beiden Funktionen sein, der Punkt wird auch der Arbeitspunkt der Schaltung genannt. Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 11 © AG Datentechnik Transistoren  Bei Transistoren handelt es sich um Bauelemente, die wie Dioden ebenfalls aus Halbleitermaterial bestehen.  Es kann grob zwischen zwei grundsätzlichen Aufbauvarianten von Transistoren unterschieden werden:  Bipolartransistoren  Feldeffekttransistoren Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 12 © AG Datentechnik Bipolartransistor - Aufbau  Bipolartransistor besteht aus zwei pn-Übergängen (NPN oder PNP) C B E N P N C E P N P C (Emitter) (Kollektor) NPN E (Basis) B B  Die Dotierung der drei Bereiche ist unterschiedlich: C  die Emitterzone ist wesentlich höher dotieret als Kollektor  Die Basis ist schwach dotiert und dünn, damit sich RLZs überlagern B können PNP Sind Emitter oder Kollektor nicht beschaltet, verhält sich der E Transistor wie eine Diode. Symbole für Bipolartransistoren Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 13 © AG Datentechnik Bipolartransistor – Betrieb (1)  Zum Betrieb des Transistors wird die Basis-Emitter-Strecke in Flussrichtung (Basis positiv gegenüber Emitter beim NPN-Transistor, Basis negativ gegenüber Emitter beim PNP- Transistor) betrieben.  Die Kollektor-Basis-Strecke wird in Sperrrichtung betrieben.  Bei leitfähiger Basis-Emitter-Strecke gelangen Ladungsträger (Elektronen beim NPN- Transistor, Löcher beim PNP-Transistor) vom Emitter in die Basiszone.  Wegen der schwachen Dotierung und der geringen Ausdehnung gelangen diese Ladungsträger an den Rand der Kollektorzone, wo sie durch die am Kollektor anliegende Spannung zum Kollektoranschluss angezogen werden, im Basisanschluss fließt dabei nur ein geringer Strom. Technische Ströme  Für die Beträge der Ströme gilt: 𝐼𝐼𝐵𝐵 =Ut UGD = UGS  Ein leitfähiger Kanal (Inversionsregion) wird ausgebildet + G + - -  Inversionsregion verbindet Drain mit Source S D  Strom fließt von Drain nach Source n+ n+ UDS = 0  Elektronen fließen von Source nach Drain p-Typ Substrat  IDS wächst linear mit UDS an B  Verhalten ähnlich zu einem linearen Widerstand UGS > Ut UGS > UGD > Ut + G + - - S IDS D n+ n+ 0 < UDS < UGS -Ut p-Typ Substrat B Ut: Einsetzspannung für Inversion Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 31 © AG Datentechnik Funktionsweise N(-)MOS(FET)-Transistor (3.3) 3. Betriebszustand – der Sättigungsbetrieb UGS > Ut G UGD < Ut  Kanal wird bei angelegter Spannung UDS eingeschnürt + +  Das Feld am Drain „saugt“ Elektronen aus dem Kanal. - - S IDS D  Wenn UDS>UGS-Ut wird der Kanal kürzer. n+ n+  IDS ist dann unabhängig von UDS. UDS > UGS -Ut  Der Strom ist “gesättigt”. p-Typ-Substrat  Das Verhalten ist ähnlich zu einer Stromquelle. B Ut: Einsetzspannung für Inversion 𝑈𝑈𝐷𝐷𝐷𝐷 Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 32 © AG Datentechnik Funktionsweise P-MOS(FET)-Transistor: Strom-Spannungs-Charakteristik  Alle Dotierungen und Spannungen sind invertiert für PMOS.  Leitfähigkeit des Inversionskanals wird bestimmt durch die Beweglichkeit der Löcher.  Die Beweglichkeit der Löcher ist etwa 2-3 mal niedriger als die der Elektronen.  Der PMOS muss also 2 bis 3 mal breiter werden, um den selben Strom zu transportieren wie ein NMOS. Uin0 Uin5 PMOS NMOS Uin1 Uin4 IDSN, |IDSP| Uin2 Uin3 Uin3 Uin2 Uin4 Uin1 Uout UDD Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 33 © AG Datentechnik Gegenüberstellung Bipolar-Transistoren und MOS-FET- Transistoren Bipolartransistoren: MOSFET:  NPN oder PNP Silizium Strukturen  NMOS and PMOS-FETs  Ein kleiner Strom in die sehr dünne Basis-  Eine Spannung, die an einem isolierten Schicht steuert einen hohen Strom zwischen Anschluss (Gate) angelegt wird, steuert Emitter und Kollektor. Strom zwischen Source und Drain.  Die Basis-Ströme limitieren die  Geringe Leistungsverluste erlauben eine Integrationsdichte. hohe Integrationsdichte Weitere Darstellungsarten für NMOS und PMOS: NMOS: PMOS: D D D D G oder G B = Bulk G oder G B S S S S Elektrotechnik und Nachrichtentechnik / Halbleiterbauelemente 34 © AG Datentechnik