Halbleiterheterostrukturen Vortrag von Alexej Klushyn
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| Halbleiterheterostrukturen Vortrag von Alexej Klushyn Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013
Übersicht • Einführung in die Halbleiterphysik • Physikalische Grundlagen der Halbleiter- heterostrukturen heterostrukturen • Anwendungsmöglichkeiten der Halbleiter- heterostrukturen Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 Einführung - Halbleiter • Coulombpotentiale der einzelnen Atomrümpfe überlagern sich • Welche Auswirkung • Welche Auswirkung auf Energieniveaus? • Kann ein solches Gitter Strom leiten? Potentiallandschaft eines Atomgitters Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013
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 Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013
Einführung - Halbleiter • Tiefste nicht besetzte Energieband Leitungsband • Höchste besetzte Energieband Valenzband → → Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 Einführung - Halbleiter • n-Dotierung Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 Einführung - Halbleiter • p-Dotierung Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 Einführung - Halbleiter • Elektrische Felder verursachen eine lineare Bandverbiegung Beispiel: Es wird eine Beispiel: Es wird eine negative Spannung angelegt Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 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.” Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 Heterostrukturen Definition: • Schichtfolge verschiedener Halbleitermaterialien Halbleitermaterialien • Epitaxisch aufgewachsen Gemeinsame Kristallstruktur Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 → Aufnahme mit TEM ( 8nm) ≈ Heterostrukturen • Herstellung mit Hilfe von Molekularstrahlepitaxie und metallorganischer Gasphasenepitaxie • Voraussetzung: • Voraussetzung: ähnliche Gitterparameter Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 →
Heterostrukturen Beispiel einer typischen Halbleiterheterostruktur Halbleiter A stark n-dotiert & große Bandlücke Halbleiter B schwach n-dotiert & kleine Bandlücke → →
Heterostrukturen Fester Wert für Ferminiveau im gesamten Halbleiter Bandverbiegung Elektronengas (schwarze Fläche) → →
Heterostrukturen Führt man diese Heterostruktur periodisch fort entsteht ein Kompositionsübergitter Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 Heterostrukturen Bandverlauf in einem Kompositionsübergitter Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013
Heterostrukturen Halbleiter A n-dotiert Halbleiter B p-dotiert Dotierungsübergitter } → → Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 Heterostrukturen Bandverlauf in einem Dotierungsübergitter Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013
Anwendungen High Electron Mobility Transistor (HEMT) Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013
Anwendungen Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 Anwendungen High Electron Mobility Transistor (HEMT) Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013
Anwendungen Stromkreis offen Stromkreis geschlossen → 0
G U 0 = G U Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 Anwendungen • Leitfähigkeit: • Bei 2DEG wird die e n ⋅ ∝ µ σ • Bei 2DEG wird die höchste Beweglichkeit erzielt •
proportional zu Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 F E Anwendungen Vor- & Nachteile des HEMT: • Geeignet für extrem hohe Frequenzen (20 - 100 GHz) • Besonders schnell und rauscharm • Sehr teuer Satellitenkommunikation Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 →
Anwendungen Halbleiterlaser (Laserdiode) •
und Löchern auf VB entstehen Photonen und Löchern auf VB entstehen Photonen •
•
Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 g V L p F n F E E E E E = − > −
Anwendungen Halbleiterlaser (Laserdiode) Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013
Anwendungen Vorteile des Halbleiterlasers • Extrem kleine Abmessung (Kantenlänge < 1mm) • Sehr guter Wirkungsgrad (bis über 50%) • Geringe Herstellungskosten Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 Quellen • S. Hunklinger - Festkörperphysik • H. Ibach, H. Lüth - Festkörperphysik • T. Ihn - Semiconductor Nanostructures • H. Krömer - Nobel Lecture: Quasielectric fields and band offsets: teaching electrons new tricks •
• S. I. Alferov - Nobel Lecture: The double heterostructure concept and its applications in Hauptseminar Nanophysik 07.05.2013 • 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 •
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