Grundlagen der Halbleiterphysik

Das nun seit zwei Jahrzehnten anhaltende Interesse an den Halb leitern - sei es als Modellsubstanzen fiir die Untersuchung von Fest korpereigenschaften, sei es als Ausgangsmaterialien fiir zahlreiche Bauelemente der Elektronik - hat zu einer Flut von Veroffent lichungen gefiihrt. AIle neu erscheinenden Originalarbeiten kann ein einzelner nicht mehr iiberblicken. Die Zahl der zusammenfassenden Berichte iiber Teilgebiete der Halbleiterphysik betragt weit iiber Hundert. Wenn in dieser Situation ein weiteres Buch iiber Halb leiter vorgelegt wird, so waren dafiir folgende Griinde maBgebend: Der groBte Teil der Halbleiterphiinomene laBt sich mit einfachen halbklassischen Modellvorstellungen qualitativ (und oft auch quan titativ) erklaren. Dies gilt insbesondere fiir die Erscheinungen, die die Grundlage zum Verstiindnis der Transistorphysik bilden. Der Erfolg einfacher Modelle ist aber immer mit der Gefahr der miB brauchlichen Anwendung der notwendig simplifizierten Begriffe ver bunden. Die Grenzen der Anwendung eines Modells miissen also stets im Auge behalten werden. Nicht nur in der Forschung, sondern auch in der Anwendung sind diese Grenzen aber heute in vielen Fallen iiberschritten. So laBt sich der Gunn-Effekt - um nur ein Beispiel zu nennen - nicht verstehen ohne die Kenntnis der detail lierten Bandstruktur des Galliumarsenids und ohne Beriicksichtigung der unterschiedlichen Elektron-Phonon-Wechselwirkung bei schwa chen und bei starken elektrischen Feldern. Nicht nur der Physiker, der auf dem Halbleitergebiet arbeitet, sondern auch der Ingenieur, der die Halbleiterbauelemente mit Verstandnis anwenden will, sollte deshalb iiber die einfachen Grundbegriffe des Halbleitermodells bin aus dessen Grenzen und Erweiterungsmoglichkeiten kennen.

Klappentext

Das nun seit zwei Jahrzehnten anhaltende Interesse an den Halb­ leitern - sei es als Modellsubstanzen fiir die Untersuchung von Fest­ korpereigenschaften, sei es als Ausgangsmaterialien fiir zahlreiche Bauelemente der Elektronik - hat zu einer Flut von Veroffent­ lichungen gefiihrt. AIle neu erscheinenden Originalarbeiten kann ein einzelner nicht mehr iiberblicken. Die Zahl der zusammenfassenden Berichte iiber Teilgebiete der Halbleiterphysik betragt weit iiber Hundert. Wenn in dieser Situation ein weiteres Buch iiber Halb­ leiter vorgelegt wird, so waren dafiir folgende Griinde maBgebend: Der groBte Teil der Halbleiterphiinomene laBt sich mit einfachen halbklassischen Modellvorstellungen qualitativ (und oft auch quan­ titativ) erklaren. Dies gilt insbesondere fiir die Erscheinungen, die die Grundlage zum Verstiindnis der Transistorphysik bilden. Der Erfolg einfacher Modelle ist aber immer mit der Gefahr der miB­ brauchlichen Anwendung der notwendig simplifizierten Begriffe ver­ bunden. Die Grenzen der Anwendung eines Modells miissen also stets im Auge behalten werden. Nicht nur in der Forschung, sondern auch in der Anwendung sind diese Grenzen aber heute in vielen Fallen iiberschritten. So laBt sich der Gunn-Effekt - um nur ein Beispiel zu nennen - nicht verstehen ohne die Kenntnis der detail­ lierten Bandstruktur des Galliumarsenids und ohne Beriicksichtigung der unterschiedlichen Elektron-Phonon-Wechselwirkung bei schwa­ chen und bei starken elektrischen Feldern. Nicht nur der Physiker, der auf dem Halbleitergebiet arbeitet, sondern auch der Ingenieur, der die Halbleiterbauelemente mit Verstandnis anwenden will, sollte deshalb iiber die einfachen Grundbegriffe des Halbleitermodells bin­ aus dessen Grenzen und Erweiterungsmoglichkeiten kennen.

Inhalt
1: Grundbegriffe der Halbleiterphysik.- 1. Definition des Halbleiters.- 2. Elektronen und Löcher.- 3. Störstellen.- 4. Effektive Masse, Beweglichkeit, Lebensdauer.- 5. Das Energiespektrum der Elektronen.- 6. Die Grenzen des klassischen Modells.- 7. Klassifikation der wichtigsten Halbleiter.- 2: Die Symmetrien des Kristallgitters.- 8. Wigner-Seitz-Zellen und Brillouin-Zonen.- 9. Die Translationsgruppe, zyklische Randbedingungen.- 10. Punktgruppen und Raumgruppen.- 3: Die Bandstruktur.- 11. Die Schrödinger-Gleichung des Ein-Elektronen-Pro-blems.- 12. Folgerungen aus der Translationsinvarianz.- 13. Folgerungen aus der Invarianz gegenüber Operationen der Raumgruppe.- 14. Irreduzible Darstellungen.- 15. Typische Eigenschaften der Bandstruktur von Halbleitern.- 16. Die Effektiv-Massen-Näherung.- 17. Dynamik der Kristallelektronen.- 18. Die Zustandsdichte.- 19. Störstellenterme im Bändermodell.- 20. Das Bändermodell im Magnetfeld.- 4: Gitterschwingungen.- 21. Normalschwingungen, Phononen.- 22. Dispersionsbeziehung für Phononen.- 5: Statistik.- 23. Das thermodynamische Gleichgewicht.- 24. Elektronen- und Löcherkonzentrationen in den Bändern und den Störstellen für den homogenen feldfreien Halbleiter.- 26. Reaktionskinetik.- 26. Das lokale Gleichgewicht: Rekombination und Erzeugung.- 27. Das räumliche Gleichgewicht: Diffusions- und Feldströme.- 6: Optische Eigenschaften.- 28. Direkte Interband-Übergänge.- 29. Indirekte Interband-Übergänge.- 30. Übergänge in Exzitonen-Zustände.- 31. Absorption und Reflexion im Magnetfeld.- 32. Elektroreflexion.- 33. Absorption freier Ladungsträger.- 34. Absorption durch Gitterschwingungen.- 7: Transporteigenschaften bei lokalem Gleichgewicht.- 35. Die Stromgleichungen.- 36. Streumechanismen.- 37. Die Stromgleichungen in derRelaxationszeit-Näherung.- 38. Elektrische Leitfähigkeit und Beweglichkeit.- 39. Galvanomagnetische Effekte.- 40. Thermoelektrische Effekte.- 41. Thermomagnetische Effekte.- 42. Abweichungen von dem Modell des homogenen nichtentarteten Halbleiters mit isotroper parabolischer Bandstruktur.- 43. Transporterscheinungen bei extremen äußeren Einflüssen.- 8: Transporteigenschaften bei Störung des lokalen Gleichgewichtes.- 44. Die Transportgleichungen.- 45. Photoleitung.- 46. Mit der Photoleitung verbundene Erscheinungen.- 47. Der p-n-Übergang.- 48. Weitere Eigenschaften von p-n-Übergängen.- 49. Photoeffekt in p-n-Übergängen.- 50. Der n-p-n-Transistor.- 51. Der Feldeffekt-Transistor.- 9: Oberflächen und Kontakte.- 52. Die freie Halbleiteroberfläche.- 53. Der Kontakt Metall-Halbleiter mit Verarmungsrandschicht.- 54. Ergänzungen zur Randschichttheorie: Inversionsschichten und Anreicherungs-Randschichten.- 10: Die wichtigsten Eigenschaften spezieller Halbleiter.- 55. Halbleiter mit tetraedrischem Gitter.- 56. Weitere halbleitende Elemente und Verbindungen.- 57. Anwendungsmöglichkeiten der Halbleiter.- Schlußbemerkungen.- Liste der verwendeten Symbole.