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16. Halbleiterbauelemente Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15 1 1948 Erster Transistor Bell Labs
16. Halbleiterbauelemente
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
1
1948Erster TransistorBell Labs
16.1 Entwicklung
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
2
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3
Moore‘s Law 1965
Quelle: Intel
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4[ Tympel ]
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5[ Tympel ]
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6[ M.Schilling ]
Transistor Scaling
All commercial high performance electronics is in nanotechnology realm now! Intel is the leader of nanoelectronic innovation. CMOS = complementary metal-oxide-semiconductor transistors
Nanotechnology
Source: Intel
0.01
0.1
1
10
1970 1980 1990 2000 2010 2020
Mic
rons
10
100
1000
10000
Nan
omet
ers
45nm65nm
90nm0.7x every 2 years
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Economics of Moore’s Law
Source: WSTS/Dataquest/Intel
103
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109
1010
’70 ’80 ’90 ’00
10
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
10-7
$ per Transistor
As the number of transistors
goes UPTransistors
per Chip
’10
Price per transistor
goes DOWN
100
YearScaling of transistor dimensions improves performance, reduces power and
lowers cost per transistor.
Density of transistors doubles every two years with each new process
generation (“node”).
G.E. Moore, Electronics 19, 114 (1965)Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi
WS 2014/15
Silicon R&D Pipeline65nm 45nm 32nm 22nm 16nm 11nm2005 2007 2009 2011 2013 2015
Manufacturing Development Research
A wide range of technology options are needed in the R&D
pipeline to ensure the continuance of Moore’s Law.
More details on each technology follow …
Source: IntelProf. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi
WS 2014/15
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10[ Tympel ]
16.2 Metall-Halbleiter-Kontakt
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11[ Tympel ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
12[ Tympel ]
Ohmscher Kontakt
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13[ Tympel ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
14[ Tympel ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
15[ Tympel ]
Schottky-Kontakt (-Diode)
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16[ Tympel ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
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Walter Schottky
(1886-1976)
• 1912-15 bei Max Wien
an Uni Jena (3/2-Gesetz)
• 1923-27 Prof. Uni Rostock
• Siemens & Halske Berlin
• Schottky-Effekt (Glühemission)
• Schottky-Diode
• Schottky-Barriere
• Schottky-Defekte
• Schrotrauschen
[ Siemens ]
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18[ Tympel ]
Sperrrichtung
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19[ Tympel ]
Durchlassrichtung
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20[ Tympel ]
Entarteter Halbleiter-Kontakt
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21
Löcherleitung
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22[ Tympel ]
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Metall-Halbleiter-Kontakte
[ Hunklinger ]
Schottky-Kontakt
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16.3 pn-Übergang
[ Tympel ]
pn-Übergang
[Hunklinger]
Ladungsträger:Diffusion
�
�
�
+
+
+
-
-
-
+
+
+-
-
-
+ -
- +
ortsfest LT
bewegliche LT
25Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi
WS 2014/15[ Tympel ]
pn-Übergang
[Hunklinger]
Ladungsträger:DiffusionRekombination
�+
+
-
-
+
+
+-
-
-
+ -
- +
ortsfest LT
bewegliche LT
26Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi
WS 2014/15[ Tympel ]
pn-Übergang
[Hunklinger]
Ladungsträger:DiffusionRekombinationVerarmungszone
�
Ve
rarm
un
gsz
on
e
+
+
-
-
+
+
+-
-
-
+ -
- +
ortsfest LT
bewegliche LT
27Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi
WS 2014/15[ Tympel ]
pn-Übergang
[Hunklinger]
Ladungsträger:DiffusionRekombinationVerarmungszoneRaumladungszone+
+
-
-
+
+
+-
-
-
+ -
- +
ortsfest LT
bewegliche LT
28Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi
WS 2014/15[ Tympel ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
29
pn-Übergang
[ Tympel ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
30
pn-Übergang mit äußerer Spannung
[ Hunklinger ]
Durchlassrichtung Sperrrichtung
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31
pn-Diode
[ Tympel ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
32
Solarzelle
[ Tympel ]
Anwendung: Stromerzeuger
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
33[ Tympel ]
Anwendung: Stromverbraucher
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
34[ Tympel ]
LED (light emitting diode)
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
35
[wikipedia]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
36
Nobelpreis Physik 2014: Blaue LED
Isamu Akasaki , Hiroshi Amano und Shuji Nakamura
[Physik-Journal]
Anwendung: Thermometer
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37[ Tympel ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
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Bipolarer pnp-Transistor
[ Hunklinger ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
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William B. Shockley(1910-1989)
• 1932 Abschluss Caltec
• 1936 Promo am MIT (Slater)
• Bell Telephone Labs
• 1947 Transistoreffekt
• 1955 Beckman Instruments
• 1956 Nobelpreis (Transistor)
• 1963 Prof. in Stanford
• 1963 „Dysgetics“ (IQ<100)
[ Wikipedia ]
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40
John Bardeen(1908-1991)
• 1938 Promo bei Wigner• 1938-41 Privatdozent• WW II Navy Lab Washington• 1945-51 Bell Labs• 1947 Transistoreffekt• 1956 und 1972 Nobelpreis !• 1962 Leuchtdiode• 1956 BCS-Theorie• 1951-75 Illinois
[ Wikipedia ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
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„Euro“-Transistor 1948
Matare und Welker , Westinghouse Paris
[ spiegel-online ]
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16.4 Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)
[ Hunklinger ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
43
Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)
[ Hunklinger ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
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16.5 Heteroübergang
[ Hunklinger]
Zwei n-dotierte HL mit verschiedenen Gap
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Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
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Elektronenbeweglichkeit in AlGaAs/GaAs-Heterostrukturen
[ Hunklinger ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
47
Dotierungsmodulierte Übergitter
[ Hunklinger ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
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Halbleiterlaser
[ Hunklinger ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
49
Halbleiterlaser
[ Hunklinger ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL FKP MaWi WS 2014/15
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Festkörperlaser
Doppelheterostruktur-Laser
H. Kroemer , Nobelpreis 2000
Rubinlaser
Mai 1960 T. Maiman, Huges Aircraft Co.
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Herbert Kroemer(1928 geb.)
• Geb. in Weimar• 1947/48 Studium Jena• 1952 Promo. Göttingen• Seit 1954 in USA• Industrie; Uni Boulder• UC Santa Barbara• Nobelpreis 2000• Seit 20.5.08 Ehrendoktor
unserer Fakultät[ nobelprize.org ]
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[http://britneyspears.ac/lasers.htm ]
