Halbleitertechnologie I - Technologie integrierter Schaltungen (HLT I) - Cheatsheet

Elektroden- und Lochmobilität in Halbleitern

Definition:

Maß für die Beweglichkeit von Elektronen und Löchern in einem Halbleitermaterial unter Einfluss eines elektrischen Feldes.

Details:

• Mobilität von Elektronen (\mu_n) und Löchern (\mu_p) beeinflusst die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern.
• Unter Annahme leichter Dotierung gelten:\[ \sigma = q(n \mu_n + p \mu_p) \] wobei \sigma die Leitfähigkeit, q die Elementarladung, n die Elektronendichte und p die Lochdichte ist.
• Typische Werte der Mobilität bei Raumtemperatur: Si (\mu_n \approx 1350 \frac{cm^2}{Vs}, \mu_p \approx 480 \frac{cm^2}{Vs}), GaAs (\mu_n \approx 8500 \frac{cm^2}{Vs}, \mu_p \approx 400 \frac{cm^2}{Vs}).
• Starke Temperaturabhängigkeit: Mobilität sinkt mit steigender Temperatur.
• Mobility model: Akzeptor- und Donatordotierung beeinflussen \mu_n und \mu_p.

Bandstruktur und Energiebänder

Definition:

Zusammenhang von Energieniveaus und Freiheitsgrad der Elektronen in einem Halbleiter. Wichtig für Verständnis der elektronischen Eigenschaften und Funktionalitäten integrierter Schaltungen.

Details:

• Elektronen im Kristallgitter bilden Energiebänder durch Überlappung von Atomorbitalen.
• Valenzband: Energieband, das bei 0 K vollständig mit Elektronen gefüllt ist.
• Leitungsband: nächsthöheres Energieband, das Elektronen aufnehmen kann.
• Bandlücke (\texttt{E\textsubscript{g}}): Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband.
• Halbleiter: Kleine Bandlücke, Elektronen können thermisch oder durch Doping ins Leitungsband angehoben werden.
• Doping: gezielte Verunreinigung zur Erhöhung der Leitfähigkeit.
• \texttt{k}-Raum: Darstellung der Elektronenenergie in Abhängigkeit vom Wellenvektor.
• Fermi-Niveau (\texttt{E\textsubscript{F}}): Energielevel, bis zu dem Zustände bei 0 K besetzt sind.

Dotierungsmechanismen und deren Auswirkungen auf Halbleiter

Definition:

Dotierungsmechanismen sind Verfahren zur gezielten Veränderung der elektrischen Eigenschaften von Halbleitern durch Einbringen von Fremdatomen.

Details:

• Hauptziel: Erhöhung der Leitfähigkeit.
• n-Dotierung: Einbringen von Donatoren (z. B. Phosphor in Silizium), frei bewegliche Elektronen werden erzeugt.
• p-Dotierung: Einbringen von Akzeptoren (z. B. Bor in Silizium), frei bewegliche Löcher werden erzeugt.
• Konzentration der Dotanten beeinflusst die Leitfähigkeit gemäß \(\sigma = q \mu n\), wobei \(\sigma\) die Leitfähigkeit, \(q\) die Elementarladung, \(\mu\) die Beweglichkeit und \(n\) die Teilchenkonzentration ist.
• Einfluss auf Bandstruktur: Dotierung verschiebt die Fermi-Niveau in Richtung Leitungsband (n-dotiert) oder Valenzband (p-dotiert).

Funktionsweise von pn-Übergängen und Zener-Dioden

Definition:

Halbleiterbauelemente mit pn-Übergang ermöglichen den Stromfluss in eine Richtung (Gleichrichterfunktion), während Zener-Dioden spezielle pn-Übergänge haben, die bei einer bestimmten Spannung in Sperrrichtung durchbrechen und Strom leiten.

Details:

• pn-Übergang: Grenzfläche zwischen p-dotiertem und n-dotiertem Halbleitermaterial.
• Erzeugt eine interne elektrische Feld, das für die Diodenkennlinie wichtig ist.
• Leiten bei Durchlassrichtung (p zu n) und sperren bei Sperrrichtung (n zu p).
• Betrag der Flussspannung typischerweise \approx 0.7V für Silizium (Si).-
• Zener-Diode: Spezielle Form des pn-Übergangs, die bei einer bestimmten Rückwärtsspannung (Zenerspannung, \(U_Z\)) durchbricht.
• Genutzt zur Spannungsregulierung und -stabilisierung.
• Durchbruchspannung über Dotierung kontrolliert (typisch 2.4V bis 200V).
• Strom-Spannungs-Kennlinie zeigt steilen Anstieg bei \(U_Z\) in Sperrrichtung.
• Auch funktionsfähig in Normalrichtung wie normale Diode.

MOSFETs: Aufbau, Funktion und Anwendungen

Definition:

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) ist ein Transistor, der elektrische Signale verstärkt oder schaltet, durch Steuerung eines kanals in einem Halbleiter.

Details:

• Aufbau: Substrat (n- oder p-Typ), Drain, Source, Gate, Oxidschicht
• Funktion: Spannung am Gate steuert Leitfähigkeit zwischen Source und Drain \(I_{DS} \, - \, V_{GS}\)
• Typen: n-Kanal, p-Kanal
• Anwendungen: Leistungsschalter, analoge Schaltungen, digitale Logik, Verstärker
• Formeln: \[ I_{D} = \frac{W}{L} \frac{\text{μ}}{2} C_{\text{ox}} (V_{GS} - V_{th})^2 \]

Plasmatechnologien in der Halbleiterfertigung

Definition:

Plasma-basierte Prozesse für Ätzen, Abscheiden und Reinigen in der Halbleiterfertigung

Details:

• Nutzen ionisierte Gase zur Erzeugung und Steuerung chemischer Reaktionen
• Wichtige Prozesse: Plasmaätzen (trockene Ätzprozesse), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) zur Schichtabscheidung
• Ermöglichen präzise Kontrolle über Materialabtrag und -aufbau
• Wesentlicher Bestandteil zur Herstellung von Transistoren und intergrierten Schaltungen
• Parameter: Gasfluss, Druck, RF-Leistung, Plasmazusammensetzung

Epitaxie-Prozesse: Molekularstrahlepitaxie (MBE) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

Definition:

Epitaxie-Prozesse zur Herstellung von Halbleiterschichten mit hoher Kristallqualität. Zwei Hauptmethoden: Molekularstrahlepitaxie (MBE) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD).

Details:

• MBE: physikalisch-basierter Prozess, bei dem Moleküle oder Atome in Hochvakuum auf ein Substrat kondensieren.
• CVD: chemisch-basierter Prozess, bei dem gasförmige Vorläufer auf ein Substrat reagieren und eine feste Schicht bilden.
• MBE bietet präzisere Kontrolle über Schichtdicke und Zusammensetzung.
• CVD ermöglicht großflächige Beschichtung und hohe Wachstumsrate.
• MBE besser für komplexe und feinxingeguene Materialien.
• CVD weit verbreitet in der Halbleiterindustrie für multifunktionale Beschichtungen.

Reaktive Ionenätzen (RIE) und Fehleranalyse in der Lithographie

Definition:

RIE ist ein Plasmaätzverfahren in der Halbleiterfertigung, das sowohl chemische als auch physikalische Ätzmechanismen nutzt.

Details:

• RIE = Reaktives Ionenätzen
• Kombination aus chemischem Ätzen und Ionenbeschuss
• Typischerweise in Anisotropie-Ätzung verwendet
• Hochfrequenz (RF)-Plasma: generiert reaktive Spezies
• Verwendung von CF4, SF6, O2 - gängigen Gasen
• Fehleranalyse:
• Defekte: Mikrorauch, Unterätzung, Gräben
• Ursachen: Maskenfehler, Prozessparameter
• Messmethoden: REM, AFM, EDX