Heinrich-Heine-Gymnasium

Facharbeit aus dem Fach Physik



Thema: Transistoren










Verfasser:  Stephan Hachinger

Kursleiterin:  Frau Warmbein





Inhalt:


0) Kurze Bemerkung zur Internetausgabe incl. Disclaimer

1) Einführung zum Thema
Seite 3


2) Geschichte und Bedeutung des Transistors
Seite 4
2.1) Geschichte des Transistor als Ersatz für die Röhre

2.2) Weiterentwicklungen; Wirkung auf unsere moderne Gesellschaft



3) Physikalische Grundlagen zum Verständnis des Transistors
Seite 7
3.1) Leitungsmechanismen in Halbleitern

3.2) Der P-N-Übergang; die Diode und ihre Funktion

3.3) Bipolartransistor: Funktionsweise am Beispiel des NPN-Typs

3.4) Funktion von Feldeffekttransistoren; unipolar/bipolar-Namensgebung

3.5) Ausblick: andere Transistortypen



4) Herstellung von Transistoren
Seite 19
4.1) Gewinnung reiner Halbleitersubstanzen

4.2) Ältere Produktionsverfahren für Bipolartypen

4.3) Das Planarverfahren



5) Kennlinien u. weitere Charakteristika versch. Bipolartypen
Seite 27
5.1) Messanordnung; Auswertungs- und Vergleichsverfahren

5.2) Ube-Ibe-Kennlinien

5.3) Ibe-Ice-Kennlinien; Ice-B-Kennlinien

5.4) Uce-Ice-Kennlinien

5.5) Vierquadrantendarstellung der Kennlinienfelder



6) Quellenverzeichnis
Seite 43





0) Vorwort zur Internetausgabe / Disclaimer


Diese Facharbeit ist - bis auf sehr kleine Veränderungen (es wurden vor allem die copyrightgeschützten Bilder ersetzt) - gleich dem Original, welches im Februar 2001 am Heinrich-Heine-Gymnasium, München-Neuperlach abgegeben wurde. Die Facharbeit wurde mit 15 Punkten bewertet; dennoch wird meinerseits verständlicherweise keine Gewähr dafür übernommen, dass die Arbeit völlig fehlerlos ist; Fehler können sich schon beim Umsetzen in HTML mit den genannten geringen Veränderungen viel zu schnell einschleichen, als dass man so eine Garantie abgeben könnte.
Der Grund der Veröffentlichung im Web ist nicht, dass sich andere Schüler, die eine Facharbeit schreiben müssen, etwa dieses Dokument einfach ausdrucken und einreichen sollen; dies wäre eine, ehrlich gesagt, ziemlich feige Art, sich vor einer Facharbeit zu drücken. Jedoch hat mich meine Kursleiterin, Frau Warmbein, freundlicherweise dazu angeregt, die Arbeit einfach als Informationsquelle ins Internet zu stellen, und ich denke ebenfalls, dass sie gerade für ein Grundverständnis des Transistors, wie man es als Mittel-/Oberstufler öfters benötigt, vielleicht eine Hilfe darstellen kann. So hoffe ich, dass sie dem Einen oder Anderen, der etwas über Transistoren erfahren möchte, eine Freude sein wird.

Über Anregungen und Verbesserungsvorschläge per Email, vor allem bezüglich meines minimal-html-Stils würde ich mich sehr freuen.

Besonderer Dank gilt folgenden Lehrern des HHG:
-Frau Warmbein für die gute, herzliche Betreuung und div. Hilfe
-Herrn Greiter für Hilfe mit Geräten etc.
-Herrn Jordan u.A. für ein zentrales Gespräch zur Theorie





1) Einführung zum Thema


Transistoren sind, seitdem sie im Jahre 1947 erfunden wurden und bald darauf Einzug in die verschiedenartigsten elektronischen Geräte fanden, kaum mehr aus unserem Leben wegzudenken. Man begegnet ihnen überall, ob in Computern, Kinderspielzeug oder der heimischen HIFI-Anlage. Auch hat wohl jeder passionierte Widerstandsgärtner (Hobby-Elektroniker), wie ich es bin, schon einmal mit ihnen und ihren vielseitigen Einsatzmöglichkeiten Bekanntschaft gemacht.

Im Rahmen dieser Facharbeit möchte ich vor allem die internen physikalischen Vorgänge im Bipolartransistor und den unipolaren Transistoren näher beleuchten. Dieser Theorieteil der Arbeit gründet sich hauptsächlich auf ein anschauliches Bild von den im Transistor ablaufenden Vorgängen. Rechnerische Modelle würden durchwegs eine Argumentation auf Universitätsniveau erfordern; das dazu nötige komplizierte Wissen der Festkörperphysik müsste man also von fast Null aus aufbauen; somit konnte diese Art der Betrachtung leider nicht ermöglicht werden. Die schlüssige Erläuterung anschaulicher Modellvorstellungen, um die ich mich stattdessen bemüht habe, soll ihre Stärken in der Schaffung eines besseren Verständnisses für die so erklärbaren Vorgänge zeigen; bei schwierigeren Effekten im Transistor hat diese Argumentationsart aber leider auch ihre klar erklärbaren Grenzen, und natürlich kann man von ihr keine exakte quantitative Beschreibung der physikalischen Vorgänge erwarten. Daher ist die Darstellung der Transistorcharakteristika auch in zwei Teile gegliedert: Der erste gründet sich auf die Vorstellung vom Transistor und geht ausführlich auf die Theorie ein, und der zweite zeigt die komplizierteren Effekte an den von mir erstellten Transistorkennlinien wenigstens auf.

Nun noch ein paar Worte zur Grobgliederung: Am Anfang der Arbeit findet sich ein Einblick in die Geschichte des Transistors, de den immensen Einfluss dieses Bauelementes auf unsere moderne Gesellschaft und somit unser Leben ahnen lässt. Dann möchte ich auf die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern und Halbleiterübergängen eingehen, um unter Vorraussetzung dieses Vorwissens schließlich die Funktion der Transistoren zu schildern. Nach dieser Darstellung und einer doch sehr ausführlich ausgefallenen Sektion über die Transistorproduktion finden sich von mir aufgenommene Transistorkennlinien von Bipolartransistoren mit einer Beschreibung der nötigen Versuchsanordnungen und Erklärung einiger aus den Kurven ersichtlicher Charakteristika dieses Transistortyps. Als Abschluss beinhaltet diese Sektion noch einen Ausblick auf die Vierquadrantendarstellung der Kennlinienfelder, welche für die Schaltungskonzeption von großer Bedeutung ist.





2) Die Geschichte des Transistors


2.1) Der Ersatz für die Röhre - Entwicklung des Transistors

Die Vakuumtrioden, die seit 1906 vor der Entwicklung des Transistors als elektrische Verstärker oder Schalter eingesetzt wurden, hatten, wie sich bald herausstellte, einige gravierende Nachteile:

Die treibende Kraft aus der Wirtschaft, die sich ein anderes Bauelement zum Ersatz der Röhre wünschte, war die amerikanische Telekommunikationsindustrie, die Verstärker zum Beispiel für lange Leitungen benötigte. Mitarbeiter der Bell Laboratories, die für eine große Telefongesellschaft die Entwicklung bewerkstelligten, stellten daher 1945 ein Team von Wissenschaftlern auf, das einen Röhrenersatz auf Halbleiterbasis entwickeln sollte.

Der Teamleiter, William Bradford Shockley, versuchte schon im Frühjahr 45, einen Prototyp eines Feldeffekt-basierten Verstärkerbauteils zu bauen, dieser Versuch mißlang jedoch. Schließlich konnten zwei Physiker, der brilliante Theoretiker John Bardeen, und der Experimentalphysiker Walter Houser Brattain, die Entwicklung mit viel trial and error vorantreiben und 1947 den ersten point-contact-transistor (zu deutsch: Spitzentransistor) entwickeln. Dieser bestand aus Goldstreifen auf einem Plastikdreieck, das mit einer entgrateten Spitze auf einer Germaniumplatte des n-Typs aufstieß (Abb.2.1). Durch Anlegen einer positiven Spannung gegenüber der Basis an den Emitter wurden, was dem heutigen Prinzip des Transistors weitgehend ähnlich ist, aus dem positiven Goldemitter Löcher in die Basis injiziert, wodurch man den Widerstand zwischen dem Kollektor und dem Germaniumkristall bei negativer Vorspannung des Kollektors gegenüber der Basis beeinflussen konnte. Shockley konnte sich dann etwas später wieder an die Spitze der Entwicklung setzen, als er den Bipolartransistor in Sandwichbauweise, wie er in etwa heute miniaturisiert und in einem Plastikgehäuse untergebracht gebräuchlich ist, erdachte. Es dauerte dann noch ca. zwei Jahre, bis er zum ersten mal gebaut werden konnte.

1948 wurde die Erfindung des Spitzentransistors (über die Entstehung des Namens Transistor gibt es unterschiedliche Ansichten) von den Bell Labs publik gemacht, 1951 die Erfindung des Sandwich-Bipolartransistors. Im Jahre 1956 erhielten die drei Väter des Transistors für ihre Erfindungen den Nobelpreis für Physik.

Zu den ersten Firmen in Amerika, die nach 1950 Transistoren produzierten, gehörten die Röhrenersteller General Electric, Philco, Raytheon, RCA, Sylvania und Westinghouse, aber auch Motorola und TI. Um 1957 kam Fairchild Semiconductors, die Mutter der Halbleiterindustrie hinzu, und 1969 wurde Intel gegründet. In Europa waren die Pioniere Philips (Transistorfertigung ab 1952), R.P.C. (Gründung 1955), SGS (gegründet 1957), ATES (Produktion ab 1960) und Siemens, das in den 60er Jahren ebenfalls mit der Fertigung begann. Während in den 50er und 60er Jahren der Transistor vor allem beim Militär zum Einsatz gelangte, setzte er sich bald auch allgemein durch. Einige Firmen wie SONY konzentrierten sich nicht darauf, den Transistor an das Militär oder Computerhersteller zu verkaufen, sondern verkauften stattdessen platzsparende, auch batteriebetriebene Transistorradios in sehr hohen Stückzahlen an die Masse, und unter anderem mit ihnen verbreitete sich der immer preisgünstigere Transistor immens. Heute bekommt man einen Siliziumtransistor für 20 Pfennige in jedem guten Elektronikgeschäft.

Technisch ist das Funktionsprinzip des Transistors bis jetzt gleich geblieben. Siliziumtypen setzten sich gegenüber den Germanium-basierten Typen durch. Zum Bipolartransistor gesellten sich noch unter anderem die anders funktionierenden Feldeffekttransistoren (FETs), deren Fertigung man erst in den 60er bis 70er Jahren in den Griff bekam.


2.2) Vom Transistor zum IC und Prozessor - Die Weiterentwicklung

Im Jahre 1958 brachte Jack Kilby von TI das erste mal eine Schaltung aus mehreren Transistoren auf einem Halbleiterkristall unter, und 1959 erfand Robert Noyce ein ähnliches Bauteil unabhängig von Kilby bei Fairchild, wo man 1961 auch als erste Firma die industrielle Fertigung von integrierten Flipflop-Schaltungen begann. Heute sind solcherlei Bauelemente, ICs (integrated circuit, integrierte Schaltung, Abb. 2.3) genannt, in fast jedem elektronischen Gerät anzutreffen. Mit der Zeit konnten in ihnen sehr komplexe Schaltungen untergebracht werden, da die mögliche Transistordichte und Miniaturisierung durch bessere Fertigungstechniken immer weiter erhöht wurde. Das Ergebnis dieser Entwicklungen sind neben diversen Elektrogeräten mit minimierter Anzahl an diskreten (einzelnen) Transistoren auch die heutigen Mikroprozessoren, die unter anderem die Basis der PCs darstellen. Ohne diese programmierbaren hochintegrierten Transistorschaltungen, wäre der Computer für Jedermann und auch die damit verbundene Gesellschaftsentwicklung undenkbar. Die Anzahl der Transistoren in Prozessoren steigt ständig und verdoppelt sich in konstanten Zeitabständen ungefähr, so dass der Pentium II-Prozessor schon 7,5 Millionen Transistoren auf einem Chip enthielt, während der erste Intel-Prozessor 4004 im Jahre 1971 noch mit 2300 Transistoren rechnete. Auch wird die Schaltgeschwindigkeit (Taktung) der meist auf FETs basierten Prozessoren immer höher und die Computer damit immer schneller.





3) Physikalische Grundlagen zum Verständnis des Bipolartransistors


3.1) Stromleitung in Halbleitern: Eigenleitung/Störstellenleitung

Die gebräuchlichsten Halbleiter sind Silizium und Germanium, ihre Atome besitzen vier Außenelektronen. In der natürlichen Kristallstruktur dieser Stoffe bindet sich jedes der vier Außenelektronen eines Atoms mit einem Außenelektron des nächsten Nachbaratoms (Abb 3.1). Alle Elektronen sind im Kristallgitter gebunden, und der Halbleiter leitet nicht. Bei Erwärmung des Halbleiters (auch schon bei Zimmertemperatur) oder Zufuhr von Photonen geeigneter Frequenz steigt die innere Energie des Materials an und Elektronen können sich aus der Bindung losreißen und werden frei. Je heißer der Kristall wird oder je mehr er Licht ausreichend hoher Freqenzen ausgesetzt wird, desto mehr wird verliert damit er die Eigenschaften eines Isolators und nimmt die Eigenschaften eines Leiters an, da freie Ladungsträgerpaare generiert werden, indem sich Elektronen losreißen und jetzt am Atom eine negative kernladungsausgleichende Ladung fehlt. Daher wurde effektiv auch noch eine positive Ladung, Loch genannt, generiert und man spricht vom Paar. Diese sogenannte Eigenleitung ist aber für den Transistor nicht von Nutzen. Es gibt nämlich noch eine zweite Möglichkeit, Halbleiter leitend zu machen: Die Einbringung von Fremdatomen in den Kristall (Dotierung). Indem die Siliziumschmelze mit drei- oder fünfwertigen Atomen gezielt verschmutzt wird, wobei ein übliches Verhältnis von Grundstoff zu Fremdstoff im resultierenden Kristall 1:1000000 ist, wird das Gefüge der gebundenen Elektronen im Kristallgitter gestört. Bei Einbringung von z.B. Antimon, Phosphor oder Arsen (fünfwertig) kann ein Elektron des Fremdatoms nicht gebunden werden, es ist somit beweglich und der Kristall leitfähig, man spricht von n-Leitendem Halbleitermaterial mit Fähigkeit zur Störstellenleitung. Bei Verschmutzung mit beispielsweise Indium, Gallium oder Aluminium (dreiwertig) fehlt ein Elektron im Bindungsgefüge. Der freie Platz kann als virtueller positiver Ladungsträger (Loch) durch den Kristall weiterwandern, indem er von einem Elektron besetzt wird, an dessen Herkunftsort dann die Fehlstelle ist (=>Leitfähigkeit). Man spricht vom p-leitenden Halbleiter, der zur Störstellenleitung fähig ist. Im n-Halbleiter nennt man die Elektronen als hauptsächliche Träger eines Stromes Majoritätsträger, die Löcher Minoritätsträger. Im p-Kristall ist das ganze umgekehrt. Minoritätsträger werden für gewöhnlich von Majoritätsträgern neutralisiert, falls sie einmal durch thermische Lösung eines Elektronen von einem Atom entstehen.


3.2) Der P-N-Übergang; die Halbleiterdiode und ihre Funktion

Nicht die grundsätzliche Leitfähigkeit eines einzelnen p- oder n-Kristalls ist besonders interessant (Metalle sind viel bessere Leiter), sondern, wie sich Halbleiterschichten aus einem p- und unmittelbar angrenzendem n-Bereich, sogenannte p-n-Übergänge, verhalten. In der Übergangszone rekombinieren (vereinigen sich) die freien Ladungsträger, d.h. Elektronen besetzen die Löcher. Dadurch verringert sich ihre Anzahl in dieser Zone, da die Störungen im Bindungsgefüge der Elektronen (s.o.) behoben werden. Jedoch fehlen dann in der n-Zone Elektronen bzw. in der p-Zone Löcher, wodurch die n-Zone positiv und die p-Zone negativ geladen wird (Entstehung v. Raumladungszonen i. Sperrschichtbe­- reich, Abb. 3.4). Das so entstandene elektrische Feld wirkt der Diffusion der Ladungsträger in die andere Schicht und so der Rekombination entgegen, daher nennt man die entstandene Spannung zwischen n- und p-Schicht Antidiffusionsspannung. Die Grenzschicht ist bei Eintreten eines Gleichgewichtes zwischen dem Diffusionsbestreben und der entgegenwirkenden Spannung durch Verarmung an freien Ladungsträgern, die einen normalen kettenreaktionsartigen Ladungsträgertransport verhindert, bereits hochohmig. Was passiert aber nun, wenn wir an unsere Schichten eine Spannung anlegen? Wenn wir an die n-Schicht den Pluspol legen und an die p-Schicht den Minuspol, werden die vorhandenen Majoritätsträger an die Kontakte und von der Grenzschicht weg gezogen und damit ist das ganze System ein hochohmiger Isolator. Die Majoritätsträger kommen also aufgrund der Polung für eine weitere Stromleitung nicht mehr in Frage. Und zudem wirkt die Tatsache, dass in dem Kristall (s.o.) keine kettenreaktionsartige Bewegung der Ladungsträger mehr möglich ist, einem Strom von Minoritätsträgern entgegen. Kann doch einmal ein Minoritätsträger ins System eindringen, so wird die schon vorhandene, im p-Raum negative und im n-Raum positive Raumladung noch verstärkt, da der eingedrungene Ladungsträger sich nicht oder nur ganz schwer durch den geordneten Kristall bewegen kann und damit zuerst einmal eine quasi-statische Ladung ist. Dies verhindert einen weiteren Einstrom von Minoritätsträgern. Es fließt nur noch ein minimaler Strom, der durch zufällig (d.h. thermisch bedingt) in den Zonen irgendwo entstehende Minoritätsträger getragen wird, die eine Eigenleitung des Kristalls hervorrufen. Polen wir unsere Spannungsquelle jedoch um (Pluspol an der p-Schicht, Minuspol an der n-Schicht), werden die Ladungsträger in Richtung der verarmten Sperrschicht gedrückt, die vorher vorhandenen Raumladungszonen bauen sich ab. An der Sperrschicht können Elektronen mit Löchern rekombinieren. Die n-Schicht bekommt Elektronen von der Stromquelle nachgeliefert, während aus der p-Schicht dauernd welche abgesaugt, oder, anders ausgedrückt, Löcher vom Pluspol nachgeliefert werden. Damit hat ein Stromfluss durch den Übergang eingesetzt, unser System ist leitend. Jedoch fällt an ihm bei Durchfluss von Elektronen der Betrag einer Antidiffusionsspannung ab, die von den Elektronen unter dem Energieverlust e*Uad durchlaufen werden muss. Diese kommt daher, dass die kräftige Bewegung der Majoritätsträger zu den Polen der Spannungsquelle und damit zur anderen Zone zu einem Diffusionsschwanz (in Abb. 3.6 als hellere Ladungsträger dargestellt) von Minoritätsträgern in den Zonen und damit wiederum zu Aufladung von Räumen führt.

Einen p-n-Übergang mit Anschlussdrähten an der n- und p-Schicht nennt man Halbleiterdiode. Sie hat die Funktion eines Gleichrichters, d.h., sie lässt Strom nur in einer Richtung passieren. Während dem Umschaltvorgang muss die Übergangszone jeweils mit Ladungsträgern gefüllt oder von ihnen geleert werden. Dieser Verzögerungseffekt hat kapazitive Wirkung und führt dazu, dass für Wechselströme bestimmter Frequenzen nur bestimmte Diodentypen zur Gleichrichtung einsetzbar sind.


3.3) Der Aufbau und die Funktionsweise des Bipolartransistors

Nun stellt sich vielleicht die Frage, warum ich so lange über p-n-Übergänge, also Dioden, referiert habe, obwohl diese Facharbeit Transistoren zum Thema hat. Die Antwort ist einfach: Transistoren nutzen ebenfalls die Effekte an p-n-Übergängen aus und damit ist mittels der oben erläuterten Erkenntnisse über Halbleiter auch eine Betrachtung des Bipolartransistors nicht mehr so schwer, soweit sie in unserem Rahmen möglich ist. Bipolartransistoren bestehen aus einem Sandwich von Halbleitermaterial verschiedener Dotierung, wobei das Brot im npn-Transistor, an dem ich die Transistorfunktion erklären will, aus Material vom n-Typ und der dünne Aufstrich aus Material vom p-Typ besteht. Die äußeren Schichten heißen Kollektor (C) und Emitter (E) und sind dicker als die p-Schicht, die Basis (B) genannt wird; jede Schicht besitzt einen Anschluss, der aus dem Transistorgehäuse geführt ist. Wird an die npn-Strecke vom Kollektor zum Emitter eine Spannung (Pluspol am Kollektor) angelegt, stellt sich heraus, dass kein Strom durch den npn-Übergang fließt. Das überrascht auch nicht, zumal am B-C-Übergang die freien Majoritätsträger durch die anliegende Spannung von der Grenzschicht weggedrängt werden und so eine hochohmige Sperrschicht (mit starken Bindungen s.o.) entsteht, die Ladungsträger nur schlecht durchdringen können. Eine eventuelle Diffusion von Elektronen in die Basis durch die bei gegebener Polung leitfähige E-B-Sperrschicht wird dadurch gestoppt, dass in die Basis eindringende Elektronen durch die Sperrschicht schlecht fließen können, sich die Basis bei Eindringen von schon wenigen Elektronen also negativ auflädt und dies eine weitere Elektronenbewegung ganz verhindert. Wen man jedoch an die Basis gegen den Emitter eine weitere positive Spannung Ube anlegt, die kleiner als die zwischen Kollektor und Emitter und größer als die Antidiffusionsspannung der B-E-Diode von größenordungnsmäßig 0,7V ist, schafft man es, diese statische Situation zu lockern. In die Basis kommen wieder positive Ladungsträger, die zum Emitter hin fließen, und entgegengesetzt kommen aus der Emitterelektrode noch viel mehr Elektronen heraus, die sich zur Basis bewegen (der Emitter ist stärker dotiert, damit tragen die n-Ladungsträger aus ihm den Strom in der B-E-Übergangszone hauptsächlich, weil sich aus der schwächer dotierten Basis auch nur weniger Löcher gleichzeitig zum Emitter bewegen können). Ein Stromfluss hauptsächlich negativer Ladungsträger hat eingesetzt, da die Basis Elektronen nun nicht mehr abstößt (die angelegte Spannung hebt die Wirkung der Raumladung auf), und mit ihm bilden sich am B-E-Übergang die oben (Kapitel p-n-Übergang) genannten Diffusionsschwänze, wobei der Schwanz der hauptsächlich fließenden Emitterelektronen größer ist. Da die Basis nur sehr dünn ist, reicht der Diffusionsschwanz dieser Elektronen bis in die zweite Transistorsperrschicht hinein. Das heißt, man hat es geschafft, einige Minoritätsträger (Elektronen) in die p-Basis zu injizieren, die auch meist ohne zu rekombinieren (die Basis ist dünn und eher schwach dotiert, enthält damit nur wenige Löcher zur Rekombination) in den Bereich der B-C-Sperrschicht gelangen. Die Ladungsträger werden vom E-Feld des positiv vorgespannten Kollektoranschlusses erfasst, diffundieren weiter in den Kollektor und schließlich kommen Elektronen aus dessen Anschlussdraht heraus, statt aus dem Basisanschluss herauszufließen. Für die aus dem Kollektor herausfließenden Elektronen liefert die dort angeschlossene Stromquelle wieder entsprechend Elektronen in den Emitter nach. Daher fließt im Kollektorstromkreis jetzt ein Strom, und er ist deutlich größer als der Basisstrom, weil die Basis nur wenige Elektronen durch Rekombination mit aus dem Basisanschluss gekommenen Löchern abzieht; dieses Phänomen nennt man Stromverstärkung. Vorraussetzung für einen Kollektorstrom ist natürlich, dass eine genügend hohe Spannung Uce anliegt. Wenn Uce<Ube ist, so heißt das, dass die B-C-Diode nicht mehr in Sperrrichtung betrieben wird, und damit sehen die in die Basis injizierten Minoritätsträger auch keinen so großen Anlass mehr, die B-C-Sperrschicht in Sperrrichtung zum Kollektor hin zu überschreiten, aber dazu noch mehr bei den Kennlinien.

Durch diese stromverstärkenden Funktionsweisen wird eine Verstärkeranwendung des Transistors ermöglicht. Jedoch ist die Verstärkung aufgrund der kapazitiven Effekte in den p-n-Übergängen (z.B. müssen noch alle Elektronen aus der Basis herausfließen, wenn der Transistor in den Sperrzustand übergeht) nur in bestimmten, vom jeweiligen Transistormodell abhängigen Frequenzbereichen nutzbar.

Außer diesem Einsatz als Verstärker ist noch die Schlaltanwendung bekannt. Sie nutzt nur die Zustände "Basisstrom fließt => Kollektor-Emitter-Strecke offen" und "Basisstrom fließt nicht => Kollektor-Emitter-Strecke zu". Da die Öffnung der Kollektor-Emitter-Strecke jedoch mit höher werdender Basisleistung Ube*Ibe langsam und nicht sprunghaft vom Zustand aus auf den Zustand ein ansteigt, muss man sich eventuell noch eine Schaltung um den Transistor herum einfallen lassen, die den Bereich des Umkippens von 0 auf 1 möglichst gering macht und möglichst davor den Zustand völlig aus und danach völlig ein erzeugt, sowie den Umkipppunkt nach den gegebenen Anforderungen definiert. Auch bei dieser Nutzung des Transistors sind natürlich wie in der Verstärkeranwendung nur begrenzte Schaltfrequenzen möglich.

Nun noch ein paar Worte zur Dotierung im Alltag. Wie schon besprochen, muss der Emitter recht stark und die Basis schwach dotiert sein. Jedoch muss auch der Kollektor einen ganz bestimmten Dotierungsgrad besitzen, und zwar einen geringeren als die Basis, um einige unerwünschte Effekte am Transistor (siehe Kennlinienbetrachtung: Early-Effekt und Durchgriff) zu verhindern. Die Hochfrequenzeigenschaften können ebenfalls mittels Dotierung gesteuert werden. Man hat es in den nun im HF-Bereich dominierenden Drifttransistorenerreicht, in der Basis durch inhomogene Dotierung ein E-Feld zu erzeugen, das die Elektronen im Betrieb zusätzlich von der Basis zum Kollektor hin beschleunigt und damit die Zeit ihres Verbleibes in der Basis und den hierdurch verursachten kapazitiven Effekt verringert. Dies funktioniert im vereinfachten Prinzip folgendermaßen: Indem man den an den Emitter angrenzenden Bereich stärker p-dotiert, stellt sich eine Löcherdiffusion in den an den Kollektor angrenzende Bereiche ein, da die Natur die Konzentration freier Ladungsträger ausgleichen möchte. Daher sind aber die Basisgebiete nicht mehr neutral, in der Zone am Emitter fehlen die wegdiffundierten positiven Löcher, in der Zone am Kollektor sind zu viele, es bildet sich ein E-Feld zwischen den entstandenen Ladungszonen aus, das weiterer Diffusion entgegenwirkt. In die Basis im Betrieb eindringende Elektronen werden also in den zu positiven an den Kollektor angrenzenden Bereich der Basis gedrängt. Die genannten Felder überlagern sich im realen Betrieb natürlich wieder mit anderen Feldern. Trotzdem funktioniert dieses Prinzip, wie man an den hohen Höchstfrequenzen moderner Transistoren erkennt.

Der pnp-Transistor funktioniert im Grunde gleich wie der npn-Typ, nur dass in ihm Löcher in den Emitter hinein fließen und aus der Basis sowie dem Kollektor herauskommen, weil alle Gebiete, wie der Name schon andeutet, umgekehrt wie im npn-Typ dotiert sind. Die beiden am Transistor im Flussbetrieb angeschlossenen Stromquellen müssen also ebenfalls umgepolt sein.


3.4) Unipolare Feldeffekt-Transistoren und ihre Funktionsweise; Grund für die Namen unipolar / bipolar

Der Bau eines Feldeffekttransistors war 1945 das eigentliche Ziel Shockleys gewesen, und seitdem man es ungefähr 20 Jahre später das erste mal schaffte, sie zu produzieren, hat ihre Bedeutung ständig zugenommen; in einigen Bereichen haben sie die althergebrachten Bipolartransistoren verdrängt. Daher möchte ich, wenn auch die komplette Darstellung der vielen verschiedenen bis jetzt entwickelten Bauformen den Rahmen sprengen würde, kurz die relativ einfach zu erfassende Funktion dreier Grundtypen zu beschreiben. Der FET besitzt grundätzlich drei Elektroden: Source (S, entspricht in etwa dem Emitter), Gate (G, entspricht in etwa der Basis) und Drain (D, entspricht ungefähr dem Kollektor). Das Gate liegt elektrisch über eine sperrgepolte Diode oder eine Isolatorschicht isoliert vom Kristall so zwischen dem Drain- und Source-Bereich, dass ein von ihm ausgehendes E-Feld in der Lage ist, Ladungsträger von den Drain- und Source-Elektroden weg oder zu ihnen hin zu drängen und damit einen leitenden Kanal zwischen Drain und Source zu schaffen oder diese von den Ladungsträgern zu isolieren und damit einen Stromfluss von Drain zu Source zu unterbinden, wobei die Ansteuerung über das isolierte Gate fast leistungslos, d.h. bei anliegender Spannung ohne merkenswerten Strom erfolgt. Der Grundzustand des FETs ist je nach Bauart ohne angelegte Gatespannung entweder recht leitend (Verarmungstyp) oder nicht leitend (Anreicherungstyp).

Man nennt den FET auch Unipolartransistor, da in der Zone, in der der zu steuernde Strom gesteuert wird, ein Ladungsträgertyp den Strom trägt, während im Bipolartransistor drei Dotierungstypen vorhanden sind und Ströme von verschiedenen Ladungsträgern getragen werden (z.B. Einstrom von Löchern aus der Basis in den Emitter beim npn-Transistor). Den FET kann man recht gut mit verwechseltem Source- und Drainanschluss betreiben, da er einen oft ziemlich symmetrischen Aufbau, d.h. Drain und Source sind gleich dotiert, breit, etc., zeigt.

Jetzt aber zu den Bauarten der FETs:

Grundvorstelllung des FETs sei ein quaderförmiger Kristall von relativ geringer Höhe (Dicke) und quadratischem Grundriss. Das entspricht u.U. nicht der Fertigung, reicht aber für eine Modellvorstellung von der Funktion aus.

- Sperrschicht-FET:
(junction FET / JFET)

Den JFET möchte ich am Beispiel des n-Kanal-Typs erläutern. Dieser Transistor ist im Prinzip ein n-dotierter Kristall, an dem auf der einen Seitenfläche die Drain-, und gegenüber die Source-Elektrode liegt, wobei man auf der Drainseite den Pluspol des zu steuernden Stromkreises und an der Source den Minuspol anschließt. Auf der Ober- und Unterseite ist der Halbleiter an der Oberfläche p-dotiert, und an diesen zwei Flächen ist das Gate angeschlossen. Da zwischen Source und Drain kein p-n-Übergang liegt, kann im Grundzustand, d.h. bei offenem=spannungslosem Gateanschluss, Strom fließen. Wird jedoch eine negative Spannung gegen Source an das Gate gelegt, verarmt der Bereich des p-n-Übergangs (Diode in Sperrrichtung) zwischen Gate und dem n-Kristall an Ladungsträgern und der Querschnitt, in dem noch Ladungsträger vorhanden sind wird enger. Die Verarmung findet dabei hauptsächlich im n-Kristall statt, da das Gate stärker dotiert ist (diesen Effekt an gesperrten Dioden kann man mittels quantitativ-rechnerischer Betrachtung nachweisen). Schließich sperrt der JFET, wenn die Gatespannung negativ genug ist und der Kanal damit absolut dicht. Das Gate gegenüber der Source positiv vorzuspannen ist bei diesem Transistortyp unüblich, da man einen Gatestrom verursachen würde. Das Gate muss gegenüber beiden anderen Elektroden negativ vorgespannt sein, was man durch die negative Vorspannung gegenüber Source bei angegebener Polung erreicht.

Das p-Kanal Pendant ist umgekehrt dotiert und verlangt daher am Gate eine positive Spannung zum Sperren und auch eine umgekehrte D-S-Spannung, hier ist eine negative Vorspannung des Gates unüblich.

Statt der normalen Gatediode kann im Übrigen auch ein auf den Kristall aufgesetzter Metallkontakt verwendet werden, da ein Übergang von gewissen ausgewählten Metallen auf eine dotierte Halbleiterstruktur (Schottky-Diode) ähnliche gleichrichtende Charakteristiken wie ein p-n-Übergang zeigt. Der Metallkontakt spielt dabei die Rolle des entgegengesetzt zum Kristall dotierten Halbleiters, die Funktion des FETs ändert sich also nicht grundlegend. Ein so konzipierter FET heißt auch MESFET (metal-semiconductor field effect transistor)

Der Sperrschicht-FET ist ein Verarmungstyp, da in ihm das Gate primär die Funktion hat, die Ladungsträger wegzudrängen und den FET, dessen leitender Bereich dann an Ladungsträgern verarmt ist, zu sperren.


-MOSFET als Isolierschicht-FET:  
(insulated gate field effect
transistor / IGFET)

Bei den IGFETs (zu ihnen gehören MISFETs=metal-insulator-semiconductor field effect transistors und die dünnschichtigen TFTs=thin-film transistors) ist das Gate vom Rest des Transistors, wie die englische Bezeichnung schon sagt, elektrisch isoliert. Am üblichsten ist als Isoliermaterial Siliziumdioxid. Dieses findet sich in den MOSFETs (MOSFET=metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Auch bei den MOSFETs möchte ich die n-Kanal-Typen erklären, genauso gibt es aber umgekehrt dotierte p-Kanal Typen, der wieder umgekehrt gepolt werden.

  • Anreicherungstyp:    

    Der MOSFET vom n-Kanal-Anreicherungstyp besteht in der Modellvorstellung aus einem p-dotierten Kristall, in den auf der Oberseite zwei n-Bereiche in einigem Abstand hineinragen, deren Dicke ca. die Hälfte der Kristalldicke ist. Sie sind Source und Drain. Zwischen ihnen ist wiederum der Gateanschluss auf dem p-Halbleiter, jedoch ist er vom Halbleiter im Gegensatz zum Sperrschichttyp durch eine Siliziumdioxid-Isolatorschicht getrennt (=>fast leistungslose Spannungsansteuerung). Ihm gegenüber ist an dem Halbleiter ein sogenannter Basisanschluss (=Substrat-/Bulkanschluss) montiert. Zwischen Source und Drain kann normalerweise kein Strom fließen, da ein npn-Übergang vorliegt. Wird aber ein E-Feld mit Richtung vom Gate zur Basis hin aufgebaut, so werden aus dem Bereich zwischen Source und drain die Löcher verdrängt und Elektronen dorthingezogen (-> Anreicherungstyp), weshalb der p-Halbleiter sich zwischen S und D sich in einen n-Halbleiter umwandelt. Daher kann ein Strom von S zu D fließen. Oft ist der Basisanschluss mit der Source verbunden, so dass Bedingung für die Leitung eine positive Spannung von Gate zu Source ist.


  • Verarmungstyp:

    Wird auf die Oberfläche des oben beschriebenen MOSFETs noch eine n-leitende Halbleiterschicht aufgebracht, so besteht auch bei nicht angelegter Gatespannung eine Leitfähigkeit zwischen Drain und Source an der Oberfläche. Diese kann durch eine negative Gatevorspannung (Verdrängung der Elektronen in der n-Schicht) wiederum nichtleitend gemacht werden. Die andere Seite reagiert dabei nicht, sie lässt sich weiterhin im Anreicherungsmodus durch positive Gatevorspannung gut leitend machen. Insgesamt wurde also ein Verarmungstyp erzeugt.

Neben diesen Feldeffekttransistoren existieren noch, wie ich am Anfang dieses Kapitels schon angedeutet habe, andere, teils mit obigen verwandte Bauformen. Beispiele hierfür sind FETs mit extrakurzem Kanal (DMOST , TMOST, VMOST), der eine kurze Schaltgeschwindigkeit mit sich bringt, GaAs-FETs für HF-Anwendungen, V-, U- D- und Siemens-Power-MOSFETS für Großsignalanwendung sowie viele andere mit Spezialfunktionen für Computerspeicher etc..


3.5) Andere Transistortypen

Neben FETs und gewöhnlichen Bipolartransistoren existieren auch noch andere Arten, für die ich im Folgenden noch einige Beispiele geben will, wenn auch eine vollständige Aufstellung aufgrund der immer neu entstehenden Entwicklungen schlecht möglich ist:





4) Herstellung von Tranistoren


Dieses Kapitel soll einige Beispiele für historische und heutige Herstellungsmethoden für Transistoren geben, wenngleich auch hier die heute eingesetzte Technik das Fassungsvermögen eines Buches übersteigt. Ich habe mich vor allem auf Beispiele am Bipolartransistor konzentriert, an denen man einen Überblick über gebräuchliche Verfahren bekommt; die Fertigung von FETs verläuft mit den Grundtechniken des zuletzt genannten modernen Planarverfahrens, die einzigen Unterschiede liegt in anderen Abfolgen von Produktionsprozessen; ein paar interessante und relevante Unterschied werde ich nennen.

Bei fast allen Prozessen ist eine außerordentliche Reinhaltung der Herstellungsräume für ordnungsgemäße Beschaffenheit der Halbleiter erforderlich. Das macht oft aufwendige Techniken (Reinräume etc.) erforderlich.

Bei der Erstellung dieses Kapitels verlängerte sich die Facharbeit sehr, ohne dass ich es eigentlich gewollt hätte. Mir ist durchaus bewusst, dass es in einer Facharbeit wichtig ist, zwischen relevanten und nicht relevanten Punkten zu unterscheiden, dennoch möchte ich den "unnötigen" Bereich über historische Herstellungsverfahren so belassen, da er recht interessant ist.


4.1) Gewinnung von reinen Halbleitersubstanzen

Germanium wird z.B. als Nebenprodukt bei der Metallverhüttung und als Flugstaub von in Großbritannien geförderten Steinkohlesorten gewonnen und kommt als Germaniumdioxid auf den Markt, Silizium liegt natürlicherweise meist als Si 2O3 in der Form von Sand vor. In chemischen Reduktionsprozessen in Spezialöfen werden die Oxide zu den Halbleitern Si bzw. Ge reduziert. Jedoch enthält der Kristall noch zu viele unerwünschte Verunreinigungen, und die Kristallstruktur ist noch nicht optimal. Hier nutzt man die Tatsache, dass die Si- bzw. Ge-Schmelze mehr Fremdatome enthalten kann als ein ausgehärteter Kristall, schmilzt zuerst einen Anfangsabschnitt des Stabes, und lässt dann die Schmelzzone längs am Stab entlangwandern. Bei diesem Vorgang fliehen die Verunreinigungen aus dem abkühlenden Kristallbereich in das geschmolzene Stück und wandern somit mit dem Schmelzbereich bis ans Ende des Kristalls. Ist das Verfahren abgeschlossen, muss das Ende verworfen werden, der Rest ist (zumindest nach mehreren Vorgängen) fast reines Halbleitermaterial. Was hier so einfach klingt, ist jedoch in der Praxis ein sehr schwieriger Prozess, weil das Material immer rein gehalten werden muss. Nach der Reinigung schmilzt man den Halbleiterstab ein, um dann normalerweise unter Zuhilfenahme eines Impfkristalls nach oben einen Einkristall langsam aus der Schmelze zu ziehen, wobei sich, während man den Impfkristall nach oben zieht, der geschmolzene Stoff in langsam erkaltenden Schichten um Kristallstruktur des Impfkristalles anlagert.


4.2) Ältere Produktionsverfahren für Bipolartransistoren

Als allererstes Herstellungsverfahren beschrieb Shockley 1951 eine Methode, bei der man die nötige n-p-n-Struktur direkt beim Ziehen herstellt. Zuerst gibt man der Halbleiterschmelze für den Kollektor eine eher schwache n-Dotierung in Form eines geeigneten verunreinigenden Elementes zu, zieht den Kristall ein Stück aus der Schmelze und überdeckt dann die n-Dotierung durch Einbringung genügend dreiwertiger Atome, die den Halbleiter im späteren Basisbereich p-leitend machen. Nun muss schon nach einer geringen gezogenen Schichtdicke wieder ausreichend fünfwertiges Material zugegeben werden, um den Emitter mit besonders hoher Dotierung zu erzeugen. Man erhält einen zwiebelförmigen, oben und unten n-dotierten Kristall, der in der Mitte eine dünne, quer verlaufende p-Schicht enthält. Nun schneidet man den Kristall längs zur Zugrichtung in Scheiben und diese schließlich ebenfalls längs zur Zugrichtung in Einzelstücke. Schließlich werden die Transistoren nach eventuell noch anderen Schritten in einem Lötvorgang kontaktiert, wobei die Basis erst wieder durch Oberflächenabtastungsmethoden ausfindig gemacht werden muss. Man beachte, dass für die Kontaktierung von Halbleiterschichten bei diesem und allen Verfahren solche Metalle oder Metalllegierungen als Kontakte ausgewählt werden müssen, die mit dem Halbleiter keinen Schottky-Kontakt, sondern einen Kontakt mit gewöhnlicher ohmscher Übertragungscharakteristik bilden.

Inwieweit man damals auch pnp-Transistoren im Ziehverfahren erfolgreich herstellen konnte, ist mir leider, genauso wie bei einigen unten genannten Produktionsarten, nicht bekannt; die hier besprochenen Verfahren sind teilweise schon sehr antiquiert und überholt, weshalb sie in vielen Büchern schon überhaupt nicht mehr auftauchen. Das macht eine Recherche schwierig.

Die nächste und auch bedeutendere Bauform war der Legierungstransistor, dessen Ausgangsmaterial eine dünne, kleine Scheibe (auch Wafer) aus n-Germanium-Kristall ist. Man setzt auf diese Scheibe auf beiden Seiten Pillen (Pellets) von Indium und erwärmt die Anordnung auf eine Temperatur, bei der das Indium schon gut, das Germanium (höherer Schmelzpunkt) aber noch überhaupt nicht schmilzt. Bei diesem Vorgang gelangen dreiwertige Atome in das Germanium und dotieren es an den Übergangszonen um, so dass eine pnp-Schichtfolge entsteht. Schließlich werden die beiden Pillen mit angelötetem Silberdraht und die Basis meist mit Hilfe eines auf den Kristall gelöteten Metallringes um die Emitterpille kontaktiert. Auf ähnliche Art kann man einen p-leitenden Germaniumkristall mittels Arsen oder Antimon zu einem npn-Transistor machen, ebenso können auch Siliziumtransistoren mit Aluminium als Pillenmaterial hergestellt werden, allerdings gestaltet sich das aufgrund besonderer Materialeigenschaften schwieriger.

Der Legierungstransistor litt unter Einflüssen von außen, da der Kristall offenlag und man es nicht schaffte, die Gehäuse entsprechend abzudichten. Daher war ein kommerzieller Einsatz schlecht möglich. Er konnte Frequenzen bis zu 7 MHz schalten; wenn die Mittelschicht zusätzlich durch Ätzung dünner gemacht und statt Pellets eine galvanische Ablagerung von Indium aufgetragen und evtl. durch Erhitzen einglegiert wurde, erreichten die entstandenen Randschichttransistoren sogar bis zu 50 MHz maximale Schaltfrequenz.

Etwas später entwickelte man dann die Diffusionstechnik, bei der man beispielsweise das Halbleitermaterial in einem 1250° heißen Ofen einem Dampf mit den Störatomen aussetzt und die Störatome so in den Kristall diffundieren. Da hierbei deren Konzentration im Halbleiter mit der Diffusionstiefe abnimmt, war ab diesem Zeitpunkt nun im Prinzip eine Herstellung von Drifttranistoren möglich.

Schon 1956 wurde eine noch andere, ebenfalls mit obigem Diffusionsverfahren verwandte Dotiertechnik das erste mal genutzt. Dabei legiert man auf einen p-Germaniumkristall zwei Pellets von entgegengesetzt dotierenden Störstoffen auf. Das ganze wird nun stark erwärmt, wobei die n-störenden Atome schneller in das an Elektronen arme p-Germanium diffundieren und eine n-leitende Schicht im gesamten Oberflächenbereich bilden, bevor die p-Atome zu diffundieren beginnen und auf die n-Zone noch einmal eine p-Zone setzen; die resultierende Schichtfolge ist also pnp, am Kristall wird der Kollektor kontaktiert und an den Pillen Basis und Emitter. Die oberen Schichten des Transistors werden zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften bis zur Stelle, wo die Pillen sitzen, seitlich weggeätzt (die von den Pillen entfernten Bereiche erfüllen keine Funktion und stellen unnötigen kapazitiven Ballast dar), was diesem Transistor das Aussehen eines Tafelbergs, spanisch "Mesa", gab.

Der endgültige Mesa-Transistor schließlich wurde tatsächlich im Ofen gefertigt. Um ihn herzustellen setzt man eine nicht ganz so dünne n-Siliziumscheibe (0,4mm dick) erst an der Oberseite einem Dampf aus p-Fremdmaterial aus und dann, nachdem man die Schichten mit einer klein gelochten Lochmaske abgedeckt hat, an derselben Seite einem Dampf aus n-dotierenden Atomen. Es entsteht eine Struktur von einer nicht angegriffenen n-Schicht im unteren Bereich (Kollektor), darauf folgt eine p-Schicht (Basis) und schließlich eindiffundierte n-Bereiche an den Stellen, wo die Lochmaske durchlässig war. Jeder obenliegende n-Bereich stellt einen Emitter für einen Transistor dar; die Transistoren werden getrennt. Die Kontaktierung erfolgt am Emitter durch Einlegieren eines Goldfilms als Anschluss und im Basisbereich auf selbige Weise mit Aluminium. An der Unterseite findet sich der Kollektoranschluss, der gleichzeitig als Wärmeableiter konzipiert ist. Wenn eine konventionelle Kontaktierung bei kleinen Bauformen nicht mehr möglich ist, muss man zum Thermokompressionsverfahren greifen, in dem man einen feinen Golddraht über der Kontaktstelle platziert und mittels einer Spitze bei etwa 300°C in Schutzgas andrückt. Neben solchen npn-Transistoren kann man auf ähnliche Weise auch eine pnp-Bauform erzeugen. Auch hier werden die Transistoren wie beim älteren Typ zu einer Mesa-Form geätzt.

Leider litten auch noch die Mesa-Transistorformen darunter, dass sie der Umbebung nahezu ungeschützt ausgeliefert waren.

Als nächstes entwickelte man 1962 die Epitaxietechnik. Bei ihr wird ein Wafer bei etwa 1200°C z.B. einem Dampf aus Siliziumtetrachlorid und Wasserstoff ausgesetzt, letzterer reduziert das Tetrachlorid zu reinem Silizium, welches bei der hohen Temperatur gut an die Kristallstruktur anwächst. Den Dotierungsgrad der angewachsenen Schicht bestimmt man durch Zugabe eines Störstoffes zum Dampf. Epitaxie ist aber nicht nur unter Zuhilfenahme von Gas möglich, sondern gelingt auch, wenn man unter entsprechenden Bedingungen ein Wafer flüssigem Halbleiterstoff aussetzt. Auch gibt es eine Methode, bei der ein Strahl der anzulagernden Atome auf das Wafer gerichtet wird, die mit niedrigerer Temperatur auskommt. Beim zuerst geschilderten Verfahren diffundieren durch die hohe Temperatur aufgelagerte Atome in das Wafer, so dass eine Herstellung von abrupten Sperrschichten angesichts der Diffusion von Dotieratomen schlecht möglich ist. Die anderen beiden Verfahren sind in dieser Hinsicht vorteilhafter, jedoch nicht so weit verbreitet. Mit Epitaxietechnik kann man ein Problem der herkömmlichen Transistoren eliminieren, das darin besteht, dass die notwendigerweise sehr schwach dotierten Kollektoren einen hohen Bahnwiderstand gegen den durchfließenden Strom mit sich bringen. Verwendet man stattdessen ein hochdotiertes Wafer mit niedrigdotierter Epitaxieschicht als Übergang zur Basis, so hat der Kollektor in der Übergangszone zur Basis die geforderte schwache Dotierung, ist aber ansonsten sehr leitfähig und stellt für den Strom nicht mehr so ein großes Hemmnis dar. Auch die Basis kann man epitaktisch herstellen.

Man stellte nach Erfindung dieses Verfahrens auch Mesatransistoren mit epitaktischer Grundplatte, d.h. mit einer in eine Epitaxieschicht eindiffundierten p-Schicht her. Dabei muss die Epitaxieschicht natürlich noch unter die p-Schicht hineinragen, d.h. die p-Schicht darf nicht zu weit eindiffundiert werden.


4.3) Ionenimplantation; das Planarverfahren

Ein heute oft auch statt der Diffusion verwandtes Verfahren, das für das Planarverfahren auch herangezogen wird, heißt Implantation und basiert darauf, dass man das zu dotierende Material mit beschleunigten und durch E/B-Felder fokussierten Ionen des Dotierstoffes beschießt. Da bei der Implantation die Kristallstruktur leidet, muss der Kristall danach noch einige Zeit hocherhitzt werden, damit sich die richtige Anordnung der Atome im Gitter wiederherstellt (ausheilen).

Wie sieht nun das Planarverfahren, nach dem man heute üblicherweise FETs und Transistoren herstellt, genauer aus? Zunächst einmal sei gesagt, das es einerseits auf Diffusions-/Implantationsverfahren gründet, andererseits aber auch auf der Erkenntnis, dass sich Silizium, wenn man es in einem Gemisch aus Wasserdampf und Sauerstoff auf ca. 1200° erhitzt, mit einer isolierenden Siliziumdioxid-Schicht überzieht. Weiterhin macht diese Technik exzessiven Gebrauch von Maskierungs- und Ausätzverfahren.

Die einzelnen Arbeitsschritte zur Erstellung eines Bipolartransistors sind folgende:

Zunächst wird eine dünn geätzte, in diesem Beispiel n-dotierte Si-Scheibe oft auch mit epitaktischer Schicht an der Oberseite) mit Siliziumdioxid (Schritt a) und einem lichtempfindlichen Photolack überzogen. Dann belichtet man die Scheibe durch eine Maske mit kleinen Fenstern (ca. 1000 Fenster auf einer Kristallscheibe mit 2,5cm Durchmesser!). Der Photolack wird nun chemisch entwickelt, d.h. er löst sich an den belichteten Stellen auf, und danach lässt man ihn, wo er verblieben ist, aushärten. Nun wird das Plättchen einer Ätzlösung ausgesetzt, die den Photolack in der Ätzzeit nicht aufzulösen vermag, wohl aber die freiliegenden Siliziumdioxidbereiche. An den vorher belichteten Stellen liegt also das Silizium frei (Schritt b), und man kann es unter hohen Temperaturen einem Bordampf aussetzen, der p-dotierte Zonen unter den Fenstern schafft. Nun oxidiert und lackiert man noch mal (Schritt c) und belichtet diesmal durch kleinere Fenster, deren Mittelpunkte an denselben Stellen wie vorher liegen. Der Lack wird entwickelt und es wird geätzt (Schritt d), diesmal liegen kleinere Teilflächen der p-Flächen frei. Hier lässt man n-dotierende Atome von Phosphor nach demselben Verfahren wie oben eindiffundieren, wodurch schließlich die Schichtfolge n-p-n entstanden ist. Noch einmal folgt ein Oxidations- (Schritt e) / Belichtungs- / Ätzvorgang, bei dem sich am Schluss genau Fenster an den Anschlussstellen für die p-dotierten Basen (siehe Bild) und die ganz oben liegenden n-Emitter befinden (Schritt f; der Kollektor kann an der Unterseite des Kristalls angeschlossen werden). In einer Vakuumkammer dampft man auf die gesamte Plättchenfläche Aluminium zur Kontaktierung auf, und ätzt dann nach einer Fotomaskierung die nicht benötigten Aluminiumzonen wieder frei. Man zerlegt das Plättchen in Einzeltransistoren und kontaktiert mittels Thermokompressionsverfahren (Schritt g).

Das Verfahren erlaubt in der Praxis eine gute Bestimmung von Diffusionslängen und Eigenschaften des Endproduktes, es ist in der Massenfertigung sehr erfolgreich. Die Oxidschicht schützt und isoliert die Strukturen derartig gut, dass Planartransistoren beinahe noch mit zerbrochenem Gehäuse in kochendem Wasser funktionieren. Auch hier lassen sich auf ähnliche Art pnp-Transistoren herstellen, oft als Pendants (Komplementärtransistoren) zu npn-Transistoren mit genau entsprechenden elektrischen Daten, aber umgekehrter Dotierung, da manche Anwendungen den Einsatz von Komplementärpaaren erfordern.

Auch Feldeffekttransistoren werden in einer Reihe von Planar-Verfahren hergestellt, wobei natürlich die Folge der epitaktisch aufgewachsenen oder im Planarverfahren hergestellten bzw. implantierten Schichten anders ist. Beim MOSFET muss schlussendlich über dem Gate ein reiner Siliziumdioxidfilm bestehen bleiben, auf den dann direkt aufkontaktiert wird. Will man einen MOSFET-Verarmungstyp erzeugen, so wird zwischen Drain und Source der oberflächliche Kanal z.B. durch Implantation geschaffen.

Die Liste der durch findige Forscher eingeführten technischen Neuerungen und Verfahren für die MOSFET-Herstellung nimmt kein Ende, so implantiert man beispielsweise heute oft die Source- und Drain-Bereiche erst, nachdem man das Gate erzeugt hat. Die Ionen, mit denen der Kristall geschossen wird, durchdringen das Gate überhaupt nicht und so hat man unter der Gateelektrode auch keine hineinwuchernden Source- oder Drain-Bereiche, die zu unnötigen Kapazitäten zwischen Gate und Source/Drain führen würden. Auch finden sich diese MOSFET-Bauelemente massenhaft in integrierten Schaltkreisen, und es werden immer neue Produktionsverfahren für noch höhere Packungsdichte, aber auf der anderen Seite auch für möglichst verlustarme diskrete, d.h. einzelne und nicht in IC verbaute Leistungs-MOSFETs erfunden.





5) Kennlinien von Bipolartransistoren und Charakteristka dieses Transistortyps


Der praktische Teil meiner Facharbeit bestand aus langwierigen und teils frustrierenden Messungen (zur Herstellung von Transistorkennlinien) mit neuen experimentalphysikalischen Erfahrungen, die durch einen Messcomputer und eine nicht immer einwandfreie Schaltungsanordnung erzeugt wurden. Daher werde ich nachfolgend auch schildern, wie man die Versuche erfolgreich durchführt und auswertet. Es kamen schließlich nach Überwindung aller Probleme recht ansehnliche Kennlinienfelder heraus, die hauptsächlich drei Relationen zwischen verschiedenen Eingangs- und Ausgangsgrößen von npn-Transistoren verschiedener Leistungsstufen erfassen. Man hätte auch pnp-Transistoren mit umgepolten Versuchsanordungen messen können, aber dies bringt lediglich entgegengesetzt gepolte und nicht wirklich andere Ergebnisse. Die Transistoren waren im Einzelnen:

Diejenigen Eigenschaften von Bipolartransistoren, die man an den Kennlinien besonders gut erkennen kann, werden in diesem Teil der Arbeit im Rahmen der Kennlinieninterpretation besprochen.


5.1) Messanordnung; Auswertungsverfahren; Vergleichsverfahren

Zuerst möchte ich einmal die Grundschaltung des Transistors vorstellen:

Diese Grundschaltung beinhaltet zwei Stromquellen, einmal die Basisstromquelle, die den Injektionsgrad in den Basisraum bestimmt und andererseits die Kollektorstromquelle, die einen von diesem Injektionsgrad abhängigen Strom Ice, der (Stromverstärkung!) deutlich höher ist als Ibe, möglich macht. Während die Kollektorstromquelle genau genommen Spannungsquelle genannt werden müsste, da sie stets im Konstantspannungsmodus arbeitet, ist bei der Basis bei den Uce-Ice-Versuchen eine Konstantstromansteuerung erwünscht. Dazu wird die Basisstromquelle auf ca. 20 V aufgedreht und ein entsprechendes, selbstgebautes Konstantstrommodul in IC-Technik genau auf die selbe Weise wie ein Strommessgerät in den Basisstromkreis eingeschaltet. Das Konstantstrommodul hat die Aufgabe, die Spannung der Basisstromquelle immer gerade so zu reduzieren, dass durch die Basis genau der Strom fließt, den man haben möchte. Dieser Strom ist am Modul mittels Potentiometer schnell einstellbar. Das Basisnetzteil muss so hoch aufgedreht werden, damit, sollte sich die Basis gegen den hereinkommenden Strom etwas wehren (das macht sie auch manchmal, indem der Spannungfall an ihr schwankt, wenn man z.B. U ce verändert), das IC notfalls voll durchschalten kann und die Elektronen dann durch eine mörderische Spannung von 17V aus der Basis gezogen werden. So viel ist nie nötig, aber es kann nie schaden, wenn die Konstantstromquelle möglichst ideal, d.h. unabhängig vom Lastwiderstand stabilisiert. Wenn man es ohne Modul versucht, die Konstantstromansteuerung mit einer Konstantspannungsquelle zu bewerkstelligen, so merkt man bald, dass dies keinen Zweck hat, da sich der Basisstrom bei gleichbleibender anliegender Spannung durch interne Rückwirkungen ändert und die Messwerte verfälscht werden (schließlich wollte man sie ja unter Annahme eines konstanten Basisstroms aufnehmen). Die Leitungsdrähte der Messschaltung sind möglichst kurz zu halten, damit Spannungsabfälle und Störeinstreuungen durch Wechselfelder unterbleiben.

Nun zum Messcomputer und den richtigen Messmethoden:

Das Cassy-Messinterface für PCs hat mehrere Messeingänge, an denen allesamt nur Spannungen über einen ausreichend hohen Innenwiderstand, der die Messanordnungen normalerweise nicht verfälscht, gemessen werden können. Strommessungen finden als Spannungsmessungen über einen externen Messwiderstand von 1 Ohm (in der Windows-Version des Messprogrammes) statt, wobei der Messbereich bei 0.3, 3, 1 oder 3A endet, folglich also 0.3, 1 oder 3V der maximale Spannungsfall, den das Cassy in diesem Modus misst, ist. Misst man einen geringeren Strom, so wählt man einen z.B. zehnmal oder hundertmal so großen Widerstand, so dass möglichst volle 0.3, 1 oder 3V am Cassy-Eingang anliegen, damit die im Kleinstspannungsbereich prozentual sehr hohen Messfehler nicht auftreten. Mittels der Programmfunktion Formel kann man die Messwerte dann für eine spätere Auswertung automatisch durch den Widerstandswert dividieren lassen, so dass die Stromwerte wieder korrekt sind, obwohl das Cassy Werte misst, die mit dem Widerstandswert multipliziert sind (über einen 100-Ohm-Widerstand fällt 100 mal so viel Spannung ab). Neben den Messfehlern gibt es ein zweites Problem mit dem Cassy: Die Messeingänge haben einen gemeinsamen, geerdeten Masseanschluss. Daher sind Messungen verschiedener Größen in einer Schaltung manchmal nur mit Tricks, schlimmstenfalls nur unter Einsatz eines galvanisch trennenden, die Messwerte selbst wieder verfälschenden Optokopplers möglich. Letzteres habe ich jedoch erfolgreich vermieden. Die gemessenen Kennlinien stellen immer den Zusammenhang zwischen zwei Messgrößen dar. Wenn diese Kurven Scharen in Abhängigkeit eines Parameters sind, so wurde der Parameter niemals mit dem Cassy gemessen, da dann drei Messgrößen von einem gemeinsamen Massepunkt in der Schaltung aus gemessen werden müssten. In so einem Fall ist es folglich besser, ein genaues Digitalamperemeter zu verwenden. Weiterhin ist es wichtig, mittels eines Digitalamperemeters, dass in die Massezuleitung des Cassy geschaltet wird, einmal zu verifizieren, dass aus der Schaltung kein Strom in die Erdung des Cassy abfließt, was Messungen unzuverlässig oder unmöglich machen würde. Ein solches Problem tritt jedoch nur mit geerdeten Netzteilen auf, und es gibt durchaus ungeerdete Netzteile, was man bei dieser Überprüfung feststellen wird.

Die einzelnen Schaltungsanordnungen zu den Messungen sind nochmals über den Kennlinien zu finden. Bei der Messung selbst wurde die auf der Rechtswertachse angetragene Größe mittels Einstellknopf am entsprechenden Netzteil verändert.

Die einzelnen Kennliniendiagramme wurden nicht direkt mit dem Cassy-Programm erstellt, da Excel bessere Graphikfähigkeiten besitzt. Die Messdaten wurden im Cassy-Programm als Ascii-Tabelle von zeitlich aufeinanderfolgenden Messwertpaaren exportiert. Die Scharkurven sind in diesen Ascii-Tabellen gut zu erkennen, weil die Messwerte zuerst ansteigen, und dann ab einem Peak-Wert wieder absinken, da für die Darstellung mehrerer Kennlinien im Cassy-Programm eine Rückkehr der Werte zum Nullpunkt vor Aufnahme der nächsten Scharkurve nötig war. Man erhält nun sinnvolle Kurven, indem man alle Nullwerte und alle den Messbereich übersteigenden Werte (dies sieht man daran, dass mindestens eine der beiden Größen über längere Zeit den Wert einer Messbereichsgrenze einnimmt) aus den Datenreihen eliminiert, und dann die steigenden Kennlinien herauskopiert, da die fallenden nur Duplikate von ihnen darstellen. Da die Werte zeitlich aufeinanderfolgen und manchmal die x-Werte der Paare schwanken, müsste Excel die Kurven immer vor- und zurückzeichnen. Das erspart man dem Programm, indem man die Werte noch sortiert. Die so gewonnenen Kennlinien beinhalten zwar auch noch Messwertschwankungen und leichte Mängel, wie zum Beispiel teilweise Einflüsse durch Transistorerwärmung, aber man kann die wichtigsten Effekte recht gut an ihnen erkennen, zumal ich mich sehr um Fehlerminimierung bemüht habe.

Im Rahmen der Kennliniendiskussion fallen bei einem Vergleich der Kennlinien des BC547B und denen der Mittel- bzw. Hochleistungstransistoren und auch bei einem Vergleich der BD135-Linien mit denen des BD249 gewisse, immer gleiche, bauartbedingte Unterschiede zwischen einem leistungsfähigeren und nicht so leistungsfähigen Typ auf. Da diese verständlicherweise zwischen BC547B und BD249 am größten sind, werden in Vergleichen hauptsächlich deren Kennlinienfelder einander gegenübergestellt.


5.2) Ube-Ibe-Kennlinien

Die sicherlich am einfachsten zu betrachtende Kennlinienart, nämlich die Ube-Ibe-Eingangskennlinien kennt man schon von den Dioden, denn nichts anderes ist ein solcher Transistoreingang. Da die Kennlinien unter den Transistoren fast nicht differieren, genügt ein Feld des BD135 zur Betrachtung. Zur Messung benötigt man keine Konstantstromquelle.

Messwerte:

Auswertung:

Bei Überwindung der Antidiffusionsspannung fließt ein Strom über den E-B-Übergang. Dieser Strom ist bei angelegter Kollektorspannung und gleichbleibender Basisspannung niedriger. Dadurch kann man aus den Kurven eine Schar mit verschiedenen Kollektorspannungen als Parameter bilden.


5.3) Ibe-Ice-Kennlinien; Ice-B-Kennlinien

Etwas interessanter wird das ganze, wenn wir wirklich die Hauptfunktion des Transistors, nämlich die eines Leistungsverstärkers betrachten. Im folgenden möchte daher ich den Zusammenhang zwischen Basisstrom und Kollektorstrom ansehen. Die Kurvenscharen stellen ihn mit verschiedener anliegender Kollektorspannung dar, der Zusammenhang zwischen Kollektorspannung und strom wird weiter unten noch genauer erläutert. Der Basisstrom wird auch hier nicht mittels einer Konstantstromquelle eingestellt, sondern einfach durch Erhöhen der Basisspannung gesteigert. Wenn er kurzzeitig schwankt, so wird dieser Effekt durch den oben bei den Auswertungsmethoden angesprochenen Sortiervorgang unschädlich gemacht.

Messwerte:

Man sieht, dass der Ibe-Ice-Zusammenhang in einigen Bereichen (man betrachte die blaue Linie) nicht linear ist. Zur Unterstützung der Begründung hierfür berechnet man den Quotienten B aus Kollektorstrom und Basisstrom, den man Gleichstromverstärkungsfaktor nennt.

Auswertung:

Der Verlauf von B über den Kollektorstrombereich ist verantwortlich für die teilweise Nichtlinearität der Ibe-Ice-Funktion. In ganz niederen Bereichen ist der Stromverstärkungsfaktor relativ niedrig, was genauere Transistormodelle auf einige Störeffekte zurückführen. Er steigt steil an, bis er, auch noch bei relativ niedrigem Kollektorstrom, sein Maximum erreicht. Nun betrachten wir dieselbe Kurve, nur für den Hochleistungstransistor BD 249.

Auswertung:

Wenn auch die Höhe der Maxima durch Messwertschwankungen etwas   verfälscht wurde, erkennt man, dass der Kleinleistungstransistor BC 547 bei der Höhe des Maximums auf jeden Fall einen Vorteil gegenüber dem Hochleistungstransistor BD 249 hat, er ist also für die Verstärkung kleiner Leistungen besonders geeignet. Wenn jedoch der Basisstrom gesteigert wird, werden vom Emitter mehr Minoritätsträger in das Basisgebiet injiziert. Die negativen Ladungen ziehen aber wiederum positive Ladungen aus dem Basisanschluss, und dieser Basisstromanteil fängt Elektronen, die eigentlich zum Kollektor sollen, durch Rekombination weg. Daher muss der Basisstrom für eine weitere Erhöhung des Kollektorstroms überproportional gesteigert werden, da ja ein höherer Anteil von ihm für den Transistoreffekt unwirksam ist. Das heißt aber nichts anderes, als dass der Stromverstärkungsfaktor langsam aber sicher absinkt, wenn man den Transistor ausreizt. Bei Leistungstransistoren ist B bauartbedingt über weitere Bereiche fast gleichbleibend, wie man an den Kennlinien sieht.


5.4) Uce-Ice-Kennlinien

Die Uce-Ice-Kennlinien sind Scharkurven für verschiedene Basiskonstantstrom-Parameterwerte, wobei der Basisstrom von einer Kurve zur nächsthöheren in der Regel (außer es ist anders angegeben) konstant gesteigert wurde. Ich habe für den BD249 drei Kennlinienfelder für kleine, mittlere und große Basisströme erstellt.

Messwerte:

Auswertung:

Zunächst kann man die Kennlinien von links nach rechts gesehen in zwei Bereiche unterteilen. Im linken Bereich ist die Spannung am Kollektor zu klein, um alle von der Basis angelieferten Elektronen mitzureißen, d.h., grob gesagt, kleiner als die Basisspannung. Daher könnte durch die B-C-Diode fast schon ein Durchlassstrom entgegen der normalen Richtung in Richtung Basis fließen, würde diese nicht noch ihre Antidiffusionsspannung gegen einen solchen Strom setzen. Das Ende dieses Sättigungsbereiches ist da, wo die Kennlinien in den waagerechten Bereich abknicken. Da hier immer alle durch den E-B-Übergang lieferbaren Elektronen vom Kollektor abgesaugt werden, bleibt der Strom bei den Linien unter niedriger Belastung fast konstant, wenn sich die Kollektorspannung ändert (aktiver Betriebsbereich). An den Linien unter höherer Auslastung bemerkt man im aktiven Bereich aber immer noch eine gewisse Steigung. Dies rührt vom sogenannten Early-Effekt her, der, mathematisch gefasst, besagt, dass, weil sich die Verarmungszone bei p-n-Übergangen mit höherer Sperrspannung immer weiter ausdehnt, die Weite des nicht verarmten Basisraumes und damit des für z.B. Rekombinationseffekte relevanten Basisraums mit steigender Uce sinkt. Dass nur der nicht verarmte Basisraum für Rekombinationseffekte relevant ist, rührt daher, dass, wie man beweisen konnte, am basisseitigen Ende dieser Verarmungszone genau die Wirkung des Kollektor-E-Feldes und damit der Ladungsträgerabtransport zum Kollektor beginnt. Rekombinationen im Basisraum finden somit immer weniger statt, wodurch der Stromverstärkungsfaktor mit steigender Uce steigt. Offensichtlich wirkt sich dieser Effekt bei hohen Basis/Kollektorströmen besonders stark aus. Wenn die Verarmungsgrenze die B-E-Sperrschicht erreicht, so werden Elektronen unabhängig vom Basisstrom sofort vom Kollektor aus dem Emitter gezogen, was einen Durchbruchseffekt (in diesem Fall Durchgriff oder auch punch-through genannt) zur Folge hat. Diesen würde man bei entsprechend hoher Spannung am Abknicken der Kennlinien nach oben erkennen. Nach diesem Durchbruch erfolgt ebenso wie nach einem Lawinendurchbruch (auch Avalanchedurchbruch; =Stoßionisation bei Überspannung) oft eine Überhitzung einzelner Kristallzonen, die wiederum in diesen Zonen zu noch höheren Strömen durch erhöhte Eigenleitung führt, und damit schließlich eine Zerstörung des Bauteils (zweiter Durchbruch). Den Early-Effekt und den punch-through versucht man zu vermindern, indem man den Kollektor am schwächsten dotiert, wodurch sich die B-C-Sperrschicht bei Spannungserhöhungen hauptsächlich in die Kollektorzone ausbreitet (dies kann man wiederum mathematisch-quantitativ beweisen).

Nun noch etwas zur vertikalen Aufteilung des Kennlinienfeldes. Man sieht am in vielen Bereichen gleichmäßigen Abstand der Kennlinien, dass sich der Transistor durch eine Basisstromänderung oft linear ansteuern lässt. Wenn der Kollektorstrom Grenzauslastungswerte erreicht, rücken sie allerdings näher zusammen, was auf eine niedrigere Stromverstärkung hindeutet. Die Sättigung tritt bei höherem Kollektorstrom ebenfalls erst später ein. Diese beiden Effekte sind beim BD249 zwar erkennbar, aber man benötigt schon ein gutes Auge. Doch den BC547B suchen die Effekte, da er für kleinere Ströme gebaut wurde, schon im Diagramm mit den mittleren Basisströmen ungemein heim:

Man beachte, dass delta-Ibe von der unteren blauen Linie zur nächsthöheren kleiner ist als delta-Ibe von der rosanen zur nächsten, gelben Linie. Dennoch steigt Ice nicht mehr so stark wie vorher. Auch ist die blaue Linie viel waagerechter, an der rosanen bemerkt man schon deutlich die durch den Early-Effekt verursachte Steigung. Bei den höchsten Basisströmen ist der Abstand zwischen den einzelnen Scharkurven fast schon in der Messtoleranz, obwohl Ibe in diesem Bereich immer äquidistant gesteigert wurde.

Spannungsansteuerung:

Zum Spaß habe ich noch einmal denselben Zusammenhang an einem BD135 untersucht, wobei sich die Scharkurven aber in diesem Versuch durch eine konstante, sich von Kennlinie zu Kennlinie im Gleichmaß steigernde Eingangsspannung und nicht durch konstante Basisströme unterscheiden. Wenn die Stromansteuerungscharakteristik (Ibe-Ice-Felder) in großen Bereichen zumindest annähernd linear ist, und der Zusammenhang zwischen Basisspannung und Basisstrom (Diodenkennlinien) überhaupt nicht, so kann eine Spannungsansteuerung in diesen Bereichen niemals den Kollektorstrom linear steigern.

Was ich gerade theoretisch begründet habe, kennt man im Kennlinienfeld sehr gut daran wieder, dass alle Linien unterschiedlich weit voneinander entfernt sind. Daher ist der Versuch einer linearen Spannungsansteuerung in weiten Betriebsbereichen erfolglos.


5.5) Vierquadrantendarstellung der Kennlinienfelder

Schaltungsentwickler bedienen sich oft einer besonderen Darstellung der Kennlinien, der Vierquadrantendarstellung, wie man sie an diesem Beispiel für den BD135 sieht.

Die Vierquadrantendarstellung setzt verschiedene Ein- und Ausgangsgrößen miteinander in Bezug. So kann man zum Beispiel, wenn man die Ansteuerspannung Ube weiß, sofort I be und damit auch, wenn man eine Linie senkrecht nach oben zieht, I ce ablesen. Eine solche Kombination von Spannungs-/Stromwerten im Betriebszustand beschreibt den sogenannten Arbeitspunkt des Transistors, der bei der Schaltungskonzeption eine wichtige Rolle spielt, nicht zuletzt, weil der Transistor nicht zu hoch belastet werden darf. Zudem kann man das rechte, obere Kennlinienfeld noch mit geschickten Tricks dazu benutzen, den Transistor umgebende Bauteile in die graphischen Überlegungen miteinzubeziehen.





6) Quellenverzeichnis