Hausaufgaben zum Praktikum Halbleiterbauelemente der

Hausaufgaben zum Praktikum
Halbleiterbauelemente der Hochleistungselektronik
Die folgenden Aufgaben dienen der Vorbereitung auf das Praktikum „Halbleiterbauelemente der
Hochleistungselektronik“. Bitte bearbeiten Sie die Fragen sorgfältig BEVOR das Praktikum beginnt.
Ihre Antworten werden nicht vom Betreuer eingesammelt oder benotet. Allerdings ist das hier
abgefragte Wissen Voraussetzung zur sinnvollen Interpretation der Messergebnisse und kann
Prüfungsinhalt sein.
Pn-Übergang
1) Erklären Sie das Drift-Diffusions-Modell des pn-Übergangs im thermischen Gleichgewicht.
Verwenden Sie zur Erklärung auch das 1. Ficksche Gesetz.
2) Warum baut sich eine Diffusionsspannung auf und wie kann sie berechnet werden? Welcher
Wert ist für Silizium typisch?
3)
Zeichnen Sie für einen abrupten pn-Übergang die Ortsverläufe im thermischen
Gleichgewicht
𝜌
a. der Raumladungsdichte (skaliert: 𝑞 ; Zeichnen Sie NA und ND ein.)
b. des elektrischen Feldes E
c. der Spannung U (Markieren Sie die Diffusionsspannung UD.).
Kennzeichnen Sie in den Diagrammen p- und n-Gebiet. Aus welchen Gleichungen lassen sich
E und U aus 𝜌 berechnen?
4) Erläutern Sie die Vorgänge am pn-Übergang in Fluss- und in Sperrrichtung.
5) Was beschreibt die Shockley-Gleichung und wie lautet Sie? Skizzieren Sie die StromSpannungs-Charakteristik, die damit beschrieben wird.
Pin Dioden, BJT, MOSFET und IGBT
1) Wie ist eine pin-Diode aufgebaut und wozu dient die zusätzliche niedrigdotierte Schicht?
Zeichnen Sie ein exemplarisches Dotierprofil.
2) Erklären Sie den Lawinendurchbruch eines Halbleiterbauelements.
3) Erklären Sie den thermischen Durchbruch eines Halbleiterbauelements.
4) Wie hängt die Durchbruchspannung einer pin Diode von der Temperatur ab? Nutzen Sie dazu
Abbildung 1 und erklären Sie den Effekt.
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Abbildung 1 (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.107)
5) Erklären Sie Aufbau und Funktionsweise eines Bipolartransistors.
6) Erklären Sie die Funktionsweise eines MOSFETs anhand einer der beiden Strukturen in Abb.
2. Welches der beiden Bauteile ist ein Power-MOSFET, welcher ein Signal-MOSFET?
Begründen Sie.
Abbildung 2
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7) Was ist die Body-Diode eines MOSFETs und wo befindet sie sich?
8) Erklären Sie den Aufbau und die Funktionsweise eines IGBTs.
Grundlagen
1) Erläutern Sie den in Abbildung. 3 schematisch dargestellten Zusammenhang. Nehmen Sie
besonders Bezug auf die vier eingezeichneten Bereiche.
Abbildung 3 (Quelle: wikipedia)
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2) In Abbildung 4 ist die intrinsische Ladungsträgerdichte gegen die invers skalierte Temperatur
aufgetragen. Erläutern Sie den dargestellten Zusammenhang und ermitteln Sie die
𝑏
Koeffizienten a und b der Gleichung 𝑛𝑖 = 𝑎 exp (− 𝑇) für Silizium. Überprüfen Sie die
𝐸
𝑔
Größenordnung von b indem Sie die Gleichung 𝑛𝑖 = √𝑁𝐶 𝑁𝑉 𝑒𝑥𝑝 (− 2𝑘𝑇
) anwenden.
Abbildung 4 (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.19)
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3) Die Beweglichkeit von Ladungsträgern hängt von zahlreichen Faktoren ab. Wie ist die
Beweglichkeit µ definiert? Erläutern Sie die abgebildeten Diagramme (Abbildung 5 und 6).
Leiten Sie anhand der drei folgenden Gleichungen her, wie µ grundsätzlich von T, NI und m*
abhängt. Bestätigt das Ergebnis die grundsätzlichen Aussagen der Diagramme?
5
3
µ
Beweglichkeit
µi Beweglichkeitsanteil durch ionisierte Dotieratome
1
3
−
µl Beweglichkeitsanteil durch akustischer Phononen
𝜇𝑖 ~𝑚∗ 2 𝑁𝐼−1 𝑇 2
m* Effektive Masse der Ladungsträger
−1
1
1
T
Temperatur
𝜇=( + )
𝜇𝑙 𝜇𝑖
NI Dichte der ionisierten Dotieratome
(Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.28)
𝜇𝑙 ~ 𝑚∗ −2 𝑇 −2
Abbildung 5 (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.29)
Abbildung 6 (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.30)
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4) a) In Abbildung 7 (oben) ist die Driftgeschwindigkeit gegen das elektrische Feld aufgetragen.
Welche Aussagen zur Beweglichkeit lassen sich hieraus für Silizium ablesen?
b) Wie verhält sich die Sättigungsgeschwindigkeit bei steigender Temperatur und warum?
(Abbildung 7, unten)
Abbildung 7 (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.46)
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5) Wie sind die Diffusionskonstanten von Löchern und Elektronen definiert (Einstein Relation)?
Wie verhält sich die Diffusionskonstante bei steigender Temperatur? (Beachten Sie die
Temperaturabhängigkeit der Beweglichkeiten). Welcher Ladungsträgertyp diffundiert
stärker?
6) Was sagt die Gleichung 𝑗 = 𝑞(𝑛𝜇𝑛 + 𝑝𝜇𝑝 ) aus? Wie ist die spezifische Leitfähigkeit definiert?
7) Erläutern Sie die Zusammenhänge zwischen Ionisierungsrate von Elektronen, elektrischem
Feld und Temperatur anhand des Diagramms in Abbildung 8.
Abbildung 8 (Quelle: Sze, Physics of Semiconductor Devices, S.49)
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