Wenn man sich die Theorie zur Halbleitertechnik durchliest, dann klingt
das alles überzeugend, doch wenn man dann Fragen hat, werden die
irgendwie durch die Theorie nicht immer beantwortet. Oder man braucht
erst fünf Semester Physik. Okay, ich übertreibe. Trotzdem meine Fragen
hier. Eventuell könntn ihr mir mit kompakten Antworten weiterhelfen:
1. Warum wird bei Silicium zur Dotierung meistens Bor (p) und Phosphat
(n) eingesetzt? Im Periodensystem steht Phosphor rechts von Silicium,
links steht aber Aluminium. Für mich wäre es deshalb logisch, Aluminium
zur n-Dotierung zu verwenden. Warum nicht?
2. Im zweiten Beitrag in diesem Thread
Beitrag "Bipolartransistor - Dotierung" zeigt Bodo ein Dotierprofil
eines NPN-Transistors. Warum ist an der Stelle, so der Kollektor
elektrisch an den Metallkontakt angebunden wird, mit 10^18 deutlich
höher dotiert als im restlichen Kollektorbereich?
3. Wenn ich das richtig verstanden habe, beißen sich bei einem
Transistor die Anforderungen Hochfrequenz und hohe Leistung (hohe
Ströme). Aber wie baut man denn dann einen Transistor, der zum Beispiel
einen terrestrische Antenne (mehrere Kilowatt) für das Fernsehprogamm
zum Beispiel im UHF-Band? Der muss doch hohe Leistung und hohe
Frequenzen können.
4. Metalle haben bei T=0 freie Ladungsträger. Die Valenzelektronen sind
scheinbar alle im Leitungsband. Warum hat Silizium bei T=0 keine freien
Ladungsträger, sondern erst bei höheren Temperaturen? Die Frage zielt
auch etwas auf den Bandabstand ab. Warum ist bei Metallen (Leitern) das
Valenzband so nah am Leitungsband, bei Silizium aber nicht? Für mich ist
es einfach nicht verständlich, warum bei Silizium für ein Elektron mehr
Energie notwendig ist, es ins Leitungsband zu prügeln. Die Elektronen
sind doch alle gleich und die Schalen (Schalenmodell) auch.
1. Warum wird bei Silicium zur Dotierung meistens Bor (p) und Phosphat
(n) eingesetzt? Im Periodensystem steht Phosphor rechts von Silicium,
links steht aber Aluminium. Für mich wäre es deshalb logisch, Aluminium
zur n-Dotierung zu verwenden. Warum nicht?
Aluminium selber ist ein leitendes Metall es gibt folglich alle seine
Valenz e- in das Leitungsband ab(Stichwort Elektronengas in metallen);
es kommt als zu keiner echten gitter Fehlstelle.
bor und Phosphor zeigen diese verhalten nicht da sie nicht Metalle sind.
Ich bin mir bei der Aussage nicht sicher und werde noch einmal
nachschlagen.
> Metalle haben bei T=0 freie Ladungsträger. Die Valenzelektronen sind
scheinbar alle im Leitungsband. Warum hat Silizium bei T=0 keine freien
Ladungsträger, sondern erst bei höheren Temperaturen? Die Frage zielt
auch etwas auf den Bandabstand ab.
Fermiflaechen, thermische Boltzmanverteilung ... Das waeren dann eben
die 5 Semester Physik... ist tatsaechlich so.
Studi schrieb:> 2. Im zweiten Beitrag in diesem Thread> Beitrag "Bipolartransistor - Dotierung" zeigt Bodo ein Dotierprofil> eines NPN-Transistors. Warum ist an der Stelle, so der Kollektor> elektrisch an den Metallkontakt angebunden wird, mit 10^18 deutlich> höher dotiert als im restlichen Kollektorbereich?
Wenn ich mich noch richtig zurückerinnern kann ist der einzige Grund
dafür, den Übergangswiderstand zur Metallkontaktierung vom Collektor
möglichst gering zu machen.
Studi schrieb:> 3. Wenn ich das richtig verstanden habe, beißen sich> bei einem Transistor die Anforderungen Hochfrequenz> und hohe Leistung (hohe Ströme).
Ja.
> Aber wie baut man denn dann einen Transistor, der zum> Beispiel einen terrestrische Antenne (mehrere Kilowatt)> für das Fernsehprogamm zum Beispiel im UHF-Band?
Soweit ich weiss: Gar nicht.
Man verwendet entweder Röhren (Klystron) in der Sendestufe
oder schaltet viele kleinere Endstufen zusammen.
Wie sieht es mit der notwendigen Temperatur aus, um mit Aluminiumdampf
via Diffusion dotieren zu können? Die wäre doch viel zu hoch, also nimmt
man Bor.
Ohne Gewähr :-)
Udo Schmitt schrieb:> Wie sieht es mit der notwendigen Temperatur aus, um mit> Aluminiumdampf> dotieren zu können? Die wäre doch viel zu hoch, also nimmt man Bor.
Das ist doch nicht das einzige Dotierverfahren für Silizium! Die nötige
Temperatur um Aluminiumdampf zu erzeugen kann also nicht die Antwort
sein. Es wird ja auch nicht reiner Phosphor verdampft, sondern in
Verbindungen, zum Beispiel Phosphin PH_3, zugesetzt.
Für eine Ionenimplantation müsste Aluminium abre zum Beispiel geeignet
sein.
Warum dotiert man nicht mit Aluminum?
Es gibt ja durchaus HF-Leistungstransistoren, nur sind die halt alle
irgenwie eher teuer. Wild herausgegriffenes Beispiel, ein BLF188XR
kostet über 200 €.
Hallo Studi,
zu Frage 1)
Es gibt drei wesentliche Vorraussetzung und zahlreiche Nebenbedingungen
für die Eignung eines Dotierstoffs in einem beliebigen Halbleiter:
a) Löslichkeit des Dotierstoffes
b) Einbau der Atome im Gitter / keine Passivierung des Dotierstoffes
c) niedrige Aktivierungsenergie
Man kann Aluminium verwenden, aber es weist schlechtere
Dotiereigenschaften (liegt energetisch tiefer) auf. Vielleicht lässt es
sich prozesstechnisch auch schlechter einbringen. Weiterhin muss man
bedenken, wie sich der Dotierstoff bei anderen Prozess verhält, z.B.
thermischen Behandlungen die nach dem Dotierung durchgeführt werden
(Ausdiffusion). Glaube das ist auch sehr von dem jeweiligen Bauelement
und den Anforderungen abhängig.
zu Frage 2)
Thomas schrieb:> Wenn ich mich noch richtig zurückerinnern kann ist der einzige Grund> dafür, den Übergangswiderstand zur Metallkontaktierung vom Collektor> möglichst gering zu machen.
Genau.
Achtung das Bild war stark vereinfacht.
zu Frage 3)
Hohe Leistung bedeuted nicht nur hohen Strom, sondern meist auch hohe
Spannunng und hohe Wärmeleitfähigkeit (Ableitung von Verlustleistung).
Es gibt bestimmte Halbleiter (HL) die für diese Zwecke besser geeignet
sind z.B. SiC, GaN oder Diamant. Alle sind HL mit weiter Bandlücke.
Dadurch lassen sich vor Allem höhere Spannungen sperren als beim Si,
alle stecken aber auch noch mehr oder weniger in den Kinderschuhen.
Hohe Frequenz bedeutet in der Mikroelektronik hohe
Ladungsträgermobilität. Diese erreicht man mit speziellem Aufbau und
Eigenschaften der HL-Bauelemente, z.B. 2DEG in HEMTs (High Electron
Mobility Transitor) wie es in GaAs Bauelementen schon lange Verwendung
findet. Auch im GaN lässt sich so etwas realisieren.
Tatsächlich gibt es schon ein paar GaN HEMTs für HF, nicht bis in den kW
Bereich und über 200V, aber vielleicht bald.
zu Frage 4)
Studi schrieb:> Die Elektronen> sind doch alle gleich und die Schalen (Schalenmodell) auch.
Die Schalen sind aber der Knackpunkt. Das Schalenmodell ist nicht
ausreichende um die Zusammenhänge zu erklären. Die Energieniveaus der
Elektronen sind nicht gleich. Im Halbleiter sind die Elektronen einfach
stärker an die Gitteratome gebunden (im Valenzband) und können sich
nicht einfach frei zwischen den Atomen bewegen (Leitungsband) wie bei
Metallen. Sie brauchen Energie um die Bindung zu verlassen. Die Ursache
dafür führt aber weit in die Festkörperphysik und sprengt hier den
Rahmen (Orbital-Theorie, Schrödinger Gleichung, Elektron als Welle usw).
Im Wikipedia Artikel zur Bandlücke findest du vielleicht was.
Auch die Elektronen sind nicht unbedingt gleich, Stichwort: effektive
Masse.
Hoffe das war dir nicht zu lang und hilft weiter.
Studi schrieb:>> Das ist doch nicht das einzige Dotierverfahren für Silizium! Die nötige> Temperatur um Aluminiumdampf zu erzeugen kann also nicht die Antwort> sein.
Dei Temperatur ist es auch nciht, die zielführende Antwort
(Leitungsband) wurde bereits obne gegeben.
> Es wird ja auch nicht reiner Phosphor verdampft, sondern in> Verbindungen, zum Beispiel Phosphin PH_3, zugesetzt.
Da ist eien Frage der Handhabung. Gasförmiges Phosphin ist einfahcer
fertigunstechnsich zu handhaben. Der dabei Wasserstoff ist leicht
abzutrennen und stört nicht. Es sind sowieso keine großen Mengen.
>> Für eine Ionenimplantation müsste Aluminium abre zum Beispiel geeignet> sein.
ISt es , wie schon gesagt, nicht für fertigungstechnische anwendung.
>> Warum dotiert man nicht mit Aluminum?
Wiurde schon beantwortet.
Ernstgemeinter Rat: Wenn du sowieso studierst (was Dein Nickname nahe
legt), geh man gelegentlich in der Halbleiterphysik Deiner FH/TH/Uni
vorbei und plaudere mit den dortigen Dotoranden bei einer Tasse Kaffee.
Sowas ist ergiebiger als ein Thread. Aber ich weiß, die "generation
hinterkopf" chattet lieber stundnelang als direkt verbal 5_Minuten zu
kommunizieren .-)
Danke für die Antworten.
Zu 1., der Aluminium-Frage habe ich noch etwas gefunden. Al diffundiert
sehr schnell und ist damit für tiefe pn-Übergänge geeignet. Allerdings
hat Al eine schlechte Löslichkeit in Si und ist deshalb nicht dazu
geeignet eine Randdotierung mit hohem Al-Anteil herzustellen, das können
Ga und B besser. Das kombiniert man manchmal auch (erst tiefe geringe
Al-Dotierung, dann noch den Rand mit einer oberflächlichen hohen
Ga-Dotierung aufbauen).
Machen wir mal weiter:
5. Eigenleitung versus Sperrstrom
Eigenleitung beruht auf der intrinsischen Ladungsträgerdichte von
Silizium, Dotierung ermöglicht die Störstellenleitung (viel größer als
Eigenleitung und T-unabhängig). Ein in Sperrichtung betriebener
pn-Übergang gleicht p- und n-Gebiet aus, die Störstellenleitung ist
quasi nicht vorhanden. Jetzt dürfte also nur noch die Eigenleitung aktiv
sein. Die Sperrstromdichte einer Silizium-Diode liegt bei 10^−11 A/cm2.
Die Eigenleitungsdichte von Si ist etwa 10^10 pro cm³. Das heißt der
Sperrstrom (aus der Sperrstromdichte folgend) wäre nur abhängig von der
Eigenleitungsdichte? Ist dem so? Ein paar Piko-/Nanoampere klingen aber
irgendwie recht wenig bei solchen Zehnerpotenzen intrinsischer
Ladungsträger.
6. Gibt es einen Unterschied zwischen Sperrstrom und
Sättigungssperrstrom oder ist das nur ein Synonym?
In dem Zusammenhang: http://de.wikipedia.org/wiki/Diode "In diesem
Artikel oder Abschnitt fehlen folgende wichtige Informationen: Es fehlen
kurze Beschreibungen zum Unterschied von Sperrstrom und
Rekombinationsstrom und warum die Diodengleichung aus dem
Durchlassbereich hier modifiziert werden muss, um die reale Kennlinien
zu beschreiben." Das würde mich auch mal interessieren!
Hallo Studi,
Studi schrieb:> Zu 1.,...
Interessiert mich auch, hast du eine Quelle dazu?
bei den weiteren Fragen kommt man eigentlich kaum um ein bisschen
Mathematik herum.
Studi schrieb:> Eigenleitung beruht auf der intrinsischen Ladungsträgerdichte von> Silizium, Dotierung ermöglicht die Störstellenleitung (viel größer als> Eigenleitung und T-unabhängig).
Nur in einem bestimmten Temperaturbereich.
Studi schrieb:> Die Sperrstromdichte einer Silizium-Diode liegt bei 10^−11 A/cm2.
Das kommt sehr stark auf die jeweilige Dotierung an. Als grobe Näherung
für die Größenordnung vielleicht ok.
Studi schrieb:> Das heißt der> Sperrstrom (aus der Sperrstromdichte folgend) wäre nur abhängig von der> Eigenleitungsdichte? Ist dem so?
Bei hohen Temperaturen (in der Störstellenerschöpfung) mag es zwar
stimmen, aber der Sperrstrom hängt um Raumtemperatur maßgeblich von den
Minoritäten ab. Deren Konzentration hängt aber von der Dotierung ab.
Studi schrieb:> Ein paar Piko-/Nanoampere klingen aber> irgendwie recht wenig bei solchen Zehnerpotenzen intrinsischer> Ladungsträger.
Man hat etwa 10^23 Atome/cm³ im Kristall. Wieviele Atome kommen auf ein
Elektron? Beim Metall ist es ca. eines.
Studi schrieb:> Gibt es einen Unterschied zwischen Sperrstrom und> Sättigungssperrstrom oder ist das nur ein Synonym?
Der Sperrstrom ist spannungsabhängig. Der Sättigungssperrstrom ist der
Wert an den sich der Sperrstrom in Sperrichtung annähert, wenn es keinen
Durchbruch gäbe...eine Konstante.
Studi schrieb:> ... die Diodengleichung aus dem> Durchlassbereich hier modifiziert werden muss...
siehe: starke Injektion, Serien-Widerstand und
Generation-/Rekombinationsstrom
Der Wikipedia Artikel zur Diode ist eher technisch angehaucht und viele
Formeln sind vereinfacht. Um physikalische Zusammenhänge besser zu
verstehen, solltest du dir andere Quellen suchen.
z.B.: http://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/toc4.htmAndrew Taylor schrieb:> Ernstgemeinter Rat: Wenn du sowieso studierst (was Dein Nickname nahe> legt), geh man gelegentlich in der Halbleiterphysik Deiner FH/TH/Uni> vorbei und plaudere mit den dortigen Dotoranden bei einer Tasse Kaffee.
Da hat Andrew recht, Grundverständnis sollte man nicht übers Forum
aufbauen, das ist auch keine seriöse Quelle. Bei speziellen Detailfragen
kannst du ja mal fragen, wobei dieses Forum in dem Bereich vielleicht
auch nicht die richtige Adresse ist.
