Halbleiterheterostrukturen
Vortrag von Alexej Klushyn
Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013
Übersicht
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Einführung in die Halbleiterphysik
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Physikalische Grundlagen der Halbleiter-
heterostrukturen
heterostrukturen
•
Anwendungsmöglichkeiten der Halbleiter-
heterostrukturen
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Einführung - Halbleiter
•
Coulombpotentiale der einzelnen Atomrümpfe
überlagern sich
•
Welche Auswirkung
•
Welche Auswirkung
auf Energieniveaus?
•
Kann ein solches
Gitter Strom leiten?
Potentiallandschaft eines Atomgitters
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Einführung - Halbleiter
•
Auffächerung der Energieniveaus in Abhängigkeit des
Abstandes zum Kern Energiebänder
•
Bei T=0K sind alle
→
•
Bei T=0K sind alle
Energieniveaus bis
besetzt
•
Uns interessiert das
höchste besetzte
Energieband
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F
E
Einführung - Halbleiter
•
Tiefste nicht besetzte Energieband
Leitungsband
•
Höchste besetzte Energieband Valenzband
→
→
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Einführung - Halbleiter
•
n-Dotierung
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Einführung - Halbleiter
•
p-Dotierung
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Einführung - Halbleiter
•
Elektrische Felder verursachen eine lineare
Bandverbiegung
Beispiel:
Es wird eine
Beispiel:
Es wird eine
negative Spannung angelegt
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Einführung - Halbleiter
“Kroemer’s Lemma of Proven Ignorance:
If, in discussing a semiconductor problem, you cannot draw an
Energy-Band-Diagram, this shows that you don’t know what
you are talking about.
you are talking about.
With the corollary:
If you can draw one, but don’t, then your audience won’t
know what you are talking about.”
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Heterostrukturen
Definition:
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Schichtfolge verschiedener
Halbleitermaterialien
Halbleitermaterialien
•
Epitaxisch aufgewachsen
Gemeinsame Kristallstruktur
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→
Aufnahme mit TEM ( 8nm)
≈
Heterostrukturen
•
Herstellung mit Hilfe von Molekularstrahlepitaxie
und metallorganischer Gasphasenepitaxie
•
Voraussetzung:
•
Voraussetzung:
ähnliche
Gitterparameter
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→
Heterostrukturen
Beispiel einer typischen Halbleiterheterostruktur
Halbleiter A stark n-dotiert & große Bandlücke
Halbleiter B schwach n-dotiert & kleine Bandlücke
→
→
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Heterostrukturen
Fester Wert für Ferminiveau im gesamten Halbleiter
Bandverbiegung
Elektronengas (schwarze Fläche)
→
→
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Heterostrukturen
Führt man diese Heterostruktur periodisch fort
entsteht ein Kompositionsübergitter
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Heterostrukturen
Bandverlauf in einem Kompositionsübergitter
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Heterostrukturen
Halbleiter A
n-dotiert
Halbleiter B p-dotiert
Dotierungsübergitter
}
→
→
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Heterostrukturen
Bandverlauf in einem Dotierungsübergitter
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Anwendungen
High Electron Mobility Transistor (HEMT)
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Anwendungen
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Anwendungen
High Electron Mobility Transistor (HEMT)
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Anwendungen
Stromkreis offen Stromkreis geschlossen
→
0
<
G
U
0
=
G
U
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Anwendungen
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Leitfähigkeit:
•
Bei 2DEG wird die
e
n
⋅
∝
µ
σ
•
Bei 2DEG wird die
höchste Beweglichkeit
erzielt
•
Ladungsträgerdichte
proportional zu
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F
E
Anwendungen
Vor- & Nachteile des HEMT:
•
Geeignet für extrem hohe Frequenzen (20 - 100 GHz)
•
Besonders schnell und rauscharm
•
Sehr teuer Satellitenkommunikation
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→
Anwendungen
Halbleiterlaser (Laserdiode)
•
Idee: Durch Rekombination von Elektronen auf LB
und Löchern auf VB entstehen Photonen
und Löchern auf VB entstehen Photonen
•
Bedingung:
•
Verwirklichung: Durch Doppelheterostrukturen
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g
V
L
p
F
n
F
E
E
E
E
E
=
−
>
−
Anwendungen
Halbleiterlaser (Laserdiode)
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Anwendungen
Vorteile des Halbleiterlasers
•
Extrem kleine Abmessung (Kantenlänge < 1mm)
•
Sehr guter Wirkungsgrad (bis über 50%)
•
Geringe Herstellungskosten
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Quellen
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S. Hunklinger - Festkörperphysik
•
H. Ibach, H. Lüth - Festkörperphysik
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T. Ihn - Semiconductor Nanostructures
•
H. Krömer - Nobel Lecture: Quasielectric fields and band offsets: teaching electrons new
tricks
•
H. Krömer - Theory of an Wide-Gap Emitter for Transitors
•
S. I. Alferov - Nobel Lecture: The double heterostructure concept and its applications in
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•
S. I. Alferov - Nobel Lecture: The double heterostructure concept and its applications in
physics, electronics, and technology
•
de.wikipedia.org/wiki/Valenzband
•
de.wikipedia.org/wiki/Halbleiter
•
de.wikipedia.org/wiki/Laserdiode
•
www.pit.physik.uni-tuebingen.de/PIT-II/teaching/ExPhys-V_WS03-04/ExP-V(3)-Kap1_7-
Halbleiter-Heterostrukturen.pdf
•
www.prevor.com/DE/sante/RisqueChimique/articles/halbleiter/Chemisches-Risiko-in-der-
Halbleiter-Industrie.php
•
www.pcgameshardware.com/&menu=browser&image_id=1132682&article_id=684941&pag
e=3&show=original
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