Physik der Halbleiterbauelemente

1. Auflage 2021
ISBN: 978-3-527-41389-8
Verlag: Wiley-VCH GmbH

Buch, Deutsch, 890 Seiten, Format (B × H): 223 mm x 281 mm, Gewicht: 2738 g

Das meistzitierte und einflussreichste Werk zur Physik der Halbleiterbauelemente - erstmals auf Deutsch!
 
Halbleiterbauelemente sind die Basis integrierter Schaltkreise und damit unentbehrlich für die gesamte Elektronik- und Computerindustrie. Immer höhere Anforderungen an deren Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit erfordern kontinuierliche Forschung und Verbesserung der bestehenden sowie Entwicklung neuer Bauelemente, sowohl von grundlegender als auch von angewandter Seite.
 
Dieses einzigartige Buch, geschrieben von Pionieren auf dem Gebiet, behandelt sämtliche Aspekte der Physik der Halbleiterbauelemente, die zu deren Verständnis, Betrieb, Weiter- und Neuentwicklung notwendig sind. Nach einem Überblick über die festkörperphysikalischen Grundlagen von Halbleitern widmen sich die Autoren den einfachen Bauelementen auf Basis von p-n-Übergängen, Metall-Halbleiter- und Metall-Isolator-Halbleiter-Kontakten. Im folgenden Teil stehen Transistoren in ihren verschiedenen Ausprägungen (bipolar, MOSFET, JFET, MESFET, MODFET) im Mittelpunkt, gefolgt von Bauelementen mit negativem differentiellem Widerstand wie Tunnel- und IMPATT-Dioden sowie Leistungsbauelementen wie Thyristoren. Der letzte Teil befasst sich mit photonischen Bauelementen wie LEDs, Lasern, Photodetektoren und Solarzellen sowie mit halbleiterbasierten Sensoren.
 
* Der Goldstandard: der "Sze" ist ein Muss für alle, die sich in Forschung, Entwicklung und Lehre mit Halbleiterbauelementen beschäftigen
 
* Unerreichte Detailfülle: enthält ausführliche Informationen zur Physik und zum Betrieb aller praktisch relevanten Halbleiterbauelemente, mit 1000 Literaturangaben, 650 technischen Illustrationen und 25 Tabellen mit Material- und Bauelementparametern
 
* Fördert das nachhaltige Verständnis: enthält zahlreiche Beispiele und Aufgaben, die beim Durchdringen der Physik und der praktischen Auslegung helfen

Autoren/Hrsg.

Sze, Simon M.

Li, Yiming

Ng, Kwok K.

Sze, S. M.

Ng, Kwok Kwok

Weitere Mitwirkende

Smoliner, Jürgen

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Elektronik | Nachrichtentechnik Elektronik Bauelemente, Schaltkreise
• Naturwissenschaften Physik Elektromagnetismus Halbleiter- und Supraleiterphysik
• Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Technische Mechanik | Werkstoffkunde Werkstoffprüfung

Inhaltsverzeichnis

TEIL I HALBLEITERPHYSIK
 
1 PHYSIK UND EIGENSCHAFTEN VON HALBLEITERN - EIN ÜBERBLICK
1.1 Einführung
1.2 Kristallstruktur
1.3 Energiebänder und Energielücke
1.4 Trägerkonzentration im Wärmeausgleich
1.5 Phänomene des Ladungsträgertransports
1.6 Phononische, optische und thermische Eigenschaften
1.7 Heteroübergänge und Nanostrukturen
1.8 Grundgleichungen und Beispiele
 
TEIL II BAUELEMENTE
 
2 P-N-ÜBERGÄNGE
2.1 Einführung
2.2 Erschöpfungsbereich
2.3 Strom-Spannungs-Kennlinien
2.4 Ausfall der Verbindungsstelle
2.5 Transientes Verhalten und Rauschen
2.6 Klemmenfunktionen
2.7 Heteroübergänge
 
3 METALL-HALBLEITER-KONTAKTE
3.1 Einführung
3.2 Bildung der Barriere
3.3 Aktuelle Transportprozesse
3.4 Messung der Barrierenhöhe
3.5 Vorrichtungsstrukturen
3.6 Ohmscher Kontakt
 
4 METALL-ISOLATOR-HALBLEITER-KONDENSATOREN
4.1 Einführung
4.2 Idealer MIS-Kondensator
4.3 Silizium-MOS-Kondensator
 
TEIL III TRANSISTOREN
 
5 BIPOLARE TRANSISTOREN
5.1 Einführung
5.2 Statische Eigenschaften
5.3 Mikrowellencharakteristik
5.4 Verwandte Vorrichtungsstrukturen
5.5 Heteroübergangs-Bipolartransistor
 
6 MOSFETs
6.1 Einführung
6.2 Grundlegende Geräteeigenschaften
6.3 Ungleichförmiges Dotierungs- und Buried-Channel-Bauelement
6.4 Geräteskalierung und Kurzkanal-Effekte
6.5 MOSFET-Strukturen
6.6 Schaltungsanwendungen
6.7 Nichtflüchtige Speichergeräte
6.8 Einzelelektronen-Transistor
 
7 JFETs, MESFETs UND MODFETs
7.1 Einführung
7.2 JFET und MESFET
7.3 MODFET
 
TEIL IV BAUELEMENTE MIT NEGATIVEM DIFFERENTIELLEN WIDERSTAND UND LEISTUNGSBAUELEMENTE
 
8 TUNNELBAUELEMENTE
8.1 Einführung
8.2 Tunneldiode
8.3 Zugehörige Tunnelbauelemente
8.4 Resonanztunneldiode
 
9 IMPATT-DIODEN
9.1 Einführung
9.2 Statische Eigenschaften
9.3 Dynamische Eigenschaften
9.4 Leistung und Effizienz
9.5 Rauschverhalten
9.6 Gerätedesign und -leistung
9.7 BARITT-Diode
9.8 TUNNETT-Diode
 
10 ELEKTRONEN-ÜBERTRAGUNGS - UND DIREKTRAUM-ÜBERTRAGUNGS-BAUELEMENTE
10.1 Einführung
10.2 Elektronen-Übertragung-Bauelemente
10.3 Direktraum-Übertragungs-Bauelemente
 
11 THYRISTOREN UND LEISTUNGSBAUELEMENTE
11.1 Einführung
11.2 Thyristorkennlinien
11.3 Thyristorvarianten
11.4 Andere Stromversorgungsgeräte
 
TEIL V PHOTONISCHE BAUELEMENTE UND SENSOREN
 
12 LEDs UND LASER
12.1 Einführung
12.2 Strahlungsübergänge
12.3 Leuchtdiode (LED)
12.4 Laserphysik
12.5 Betriebsmerkmale des Lasers
12.6 Speziallaser
 
13 PHOTODETEKTOREN UND SOLARZELLEN
13.1 Einführung
13.2 Fotoleiter
13.3 Fotodioden
13.4 Lawinenphotodiode
13.5 Fototransistor
13.6 Ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD)
13.7 Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektor
13.8 Quantenwellen-Infrarot-Photodetektor
13.9 Solarzelle
 
14 SENSOREN
14.1 Einführung
14.2 Thermosensoren
14.3 Mechanische Sensoren
14.4 Magnetische Sensoren
14.5 Chemische Sensoren
 
ANHÄNGE
A. Liste der Symbole
B. Internationales Einheitensystem
C. Einheiten-Präfixe
D. Griechisches Alphabet
E. Physikalische Konstanten
F. Eigenschaften wichtiger Halbleiter
G. Eigenschaften von Si und GaAs
H. Eigenschaften von SiO und Si3N

Vorwort v

Vorwort des Übersetzers vii

Biografien xvii

Einführung xix

Teil I Halbleiterphysik 1

1 Physik und Eigenschaften von Halbleitern – ein Überblick 3

1.1 Einleitung 3

1.2 Kristallstrukturen 3

1.3 Energiebänder und Bandlücken 7

1.4 Ladungsträgerkonzentrationen im thermischen Gleichgewicht 11

1.5 Ladungsträgertransportphänomene 21

1.6 Phononen, optische und thermische Eigenschaften 41

1.7 Heteroübergänge und Nanostrukturen 47

1.8 Halbleitergrundgleichungen und Anwendungsbeispiele 54

Teil II Grundstrukturen der Halbleiter-Bauelemente 71

2 p-n-Übergänge 73

2.1 Einleitung 73

2.2 Raumladungszonen 73

2.3 Strom-Spannungs-Kennlinien 83

2.4 p-n-Übergänge im Durchbruchsbereich 95

2.5 Transientes Verhalten und Rauschen 107

2.6 Der p-n-Übergang als Bauelement 110

2.7 Heteroübergänge 117

3 Metall-Halbleiter-Kontakte 127

3.1 Einleitung 127

3.2 Entstehung der Schottky-Barriere 127

3.3 Transportprozesse 144

3.4 Bestimmung der Barrierenhöhe 162

3.5 Diodenstrukturen 171

3.6 Ohmsche Kontakte 177

4 Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatoren 187

4.1 Einleitung 187

4.2 Idealer MIS-Kondensator 187

4.3 Der Silizium-MOS-Kondensator 200

4.4 Ladungsträgertransport inMOS-Kondensatoren 224

Teil III Transistoren 243

5 Bipolartransistoren 245

5.1 Einleitung 245

5.2 Statische Eigenschaften 246

5.3 Kompaktmodelle von Bipolartransistoren 263

5.4 Mikrowelleneigenschaften 273

5.5 Leistungstransistoren und Logikschaltungen 285

5.6 Heterobipolartransistoren 290

5.7 Selbsterhitzungseffekte 296

6 MOSFETs 305

6.1 Einleitung 305

6.2 Grundlegende Bauteilcharakteristiken 309

6.3 Bauelemente mit inhomogener Dotierung und vergrabenem Kanal 335

6.4 Bauelementeskalierung und Kurzkanaleffekte 346

6.5 MOSFET-Strukturen 363

6.6 Schaltungsanwendungen 375

6.7 NCFET und TFET 380

6.8 Der Einzelelektronentransistor 385

7 Nicht flüchtige Speicher 405

7.1 Einleitung 405

7.2 Das Konzept des Floating-Gate 406

7.3 Speicherstrukturen 411

7.4 Kompaktmodelle von Floating-Gate-Speicherzellen 417

7.5 Mehrstufige Zellen und dreidimensionale Strukturen 420

7.6 Herausforderungen bei der Skalierung 432

7.7 Alternative Speicherstrukturen 437

8 JFETs, MESFETs und MODFETs 455

8.1 Einleitung 455

8.2 JFET und MESFET 456

8.3 MODFET 479

Teil IV Bauelementemit negativemWiderstand und Leistungsbauelemente 505

9 Tunnelbauelemente 507

9.1 Einleitung 507

9.2 Tunneldioden 508

9.3 Verwandte Tunnelbauelemente 522

9.4 Resonante Tunneldioden 540

10 IMPATT-Dioden, TE- und RST-Devices 553

10.1 Einleitung 553

10.2 IMPATT-Dioden 554

10.3 Transferred Electron Devices 582

10.4 Real-Space-Transfer Devices 602

11 Thyristoren und Leistungsbauelemente 615

11.1 Einleitung 615

11.2 Thyristorkennlinien 616

11.3 Thyristorvarianten 636

11.4 Andere Leistungsbauelemente 642

Teil V Photonische Bauelemente und Sensoren 661

12 LEDs und Laser 663

12.1 Einleitung 663

12.2 Strahlende Übergänge 664

12.3 Lichtemittierende Dioden (LEDs) 668

12.4 Laserphysik 682

12.5 Laserbetrieb 691

12.6 Spezielle Laser 708

13 Photodetektoren und Solarzellen 721

13.1 Einleitung 721

13.2 Photoleiter 725

13.3 Photodioden 728

13.4 Lawinenphotodioden 738

13.5 Phototransistoren 748

13.6 Charge-Coupled Devices (CCDs) 751

13.7 Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektoren 764

13.8 Quantum-Well-Infrarotphotodetektoren (QWIPs) 767

13.9 Solarzellen 771

14 Sensoren 799

14.1 Einleitung 799

14.2 Thermische Sensoren 801

14.3 Mechanische Sensoren 807

14.4 Magnetische Sensoren 816

14.5 Chemische Sensoren 825

14.6 Biosensoren 830

Anhang A Liste der Symbole 839

Anhang B Internationales Einheitensystem 847

Anhang C Einheitenpräfixe 849

Anhang D Das griechische Alphabet 851

Anhang E Physikalische Konstanten 853

Anhang F Eigenschaften der wichtigsten Halbleiter 855

Anhang G Das Bloch-Theoremund die Energiebänder im reziproken Gitter 857

Anhang H Eigenschaften von Si und GaAs 859

Anhang I Die Boltzmann-Transportgleichung und das hydrodynamische Modell 861

Anhang J Eigenschaften von SiO2 und Si3N4 867

Anhang K Kompaktmodelle von Bipolartransistoren 869

Anhang L Die Entdeckung des Floating-Gate-Speicher-Effekts 877

Stichwortverzeichnis 879

Über Autor(innen)

Simon M. Sze ist Lehrstuhlinhaber an der National Chiao Tung University, Taiwan. Er hat bahnbrechende Beiträge zur Entwicklung von Halbleiterbauelementen geleistet, besonders hervorzuheben ist seine Ko-Erfindung nichtflüchtiger Halbleiterspeicher wie Flash-Speicher und EEPROMs. Sein Buch "Physik der Halbleiterbauelemente" (im Original: "Physics of Semiconductor Devices") ist eines der einflussreichsten und meistzitierten Werke in den Ingenieurwissenschaften.
 
Yiming Li ist Professor an der National Chiao Tung University, Taiwan. In der Abteilung für Elektro- und Computertechnik forscht er zu computerorientierter Elektronik, Bauteilphysik, Halbleiternanostrukturen sowie der Modellierung und Simulation von Schaltkreisen.
 
Kwok K. Ng ist Senior Director bei der Semiconductor Research Corporation im Research Triangle Park, North Carolina, USA. Zuvor hat er langjährig in Führungspositionen bei Agere Systems, Lucent Technologies, MVC und den Bell-Laboratorien von AT&T gearbeitet.

Die Autoren

Simon M. Sze ist Lehrstuhlinhaber an der National Chiao Tung University, Taiwan. Er hat bahnbrechende Beiträge zur Entwicklung von Halbleiterbauelementen geleistet und ist Miterfinder der Grundlage aller nichtflüchtigen Halbleiterspeicher wie Flash-Speicher und EEPROMs.

Yiming Li ist Professor an der National Chiao Tung University, Taiwan. In der Abteilung für Elektro- und Computertechnik forscht er zu computerorientierter Elektronik, Bauteilphysik, Halbleiternanostrukturen sowie der Modellierung und Simulation von Schaltkreisen.

Kwok K. Ng ist Senior Director bei der Semiconductor Research Corporation im Research Triangle Park, North Carolina, USA. Zuvor hat er langjährig in Führungspositionen bei Agere Systems, Lucent Technologies, MVC und den Bell-Laboratorien von AT&T gearbeitet.

Der Übersetzer

Jürgen Smoliner ist Professor am Institut für Festkörperelektronik der Technischen Universität Wien. Seine Forschungsaktivitäten liegen auf den Gebieten der Charakterisierung von Halbleiter- Bauelementen mit verschiedenen Raster-Sonden Methoden sowie der Untersuchung des Stromtransports in Nanostrukturen.