Das Verhalten von Halbleiterbauelementen bei tiefen Temperaturen
Das Verhalten von Halbleiterbauelementen bei tiefen Temperaturen
Alle Halbleiterbauelemente ändern ihre Eigenschaften mehr oder weniger stark, wenn man sie im Bereich tiefer Temperaturen (1 - 270 K) betreibt. Ein großer Teil der Bauelemente funktioniert überhaupt nicht mehr im flüssigen Heliwn (4.2 K). Es gibt nur sehr wenige Ubersichtsartikel über das Verhalten...
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Personal Name(s): | Lengeler, B. |
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Matula, S. / Spormann, J. / Durcansky, G. | |
Contributing Institute: |
Publikationen vor 2000; PRE-2000; Retrocat |
Imprint: |
Jülich
Kernforschungsanlage Jülich, Verlag
1973
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Physical Description: |
47, [56] p. |
Document Type: |
Report Book |
Research Program: |
ohne Topic |
Series Title: |
Berichte der Kernforschungsanlage Jülich
1021 |
Link: |
OpenAccess OpenAccess |
Publikationsportal JuSER |
Alle Halbleiterbauelemente ändern ihre Eigenschaften mehr oder weniger stark, wenn man sie im Bereich tiefer Temperaturen (1 - 270 K) betreibt. Ein großer Teil der Bauelemente funktioniert überhaupt nicht mehr im flüssigen Heliwn (4.2 K). Es gibt nur sehr wenige Ubersichtsartikel über das Verhalten von Bauelementen bei tiefen Temperaturen. Die meisten Elektroniklehrbücher sind sogar ausgesprochen unergiebig in dieser Hinsicht. Da wir vor der Aufgabe standen, mittels Kernspinresonanz Magnetfelder zwischen 10 und 80 kG sehr genau (besser 10-4) bei 4.2 K zu messen, ergab sich das Problem, einen HF-Oszillator zu bauen, der bei dieser Temperatur arbeitet und zusätzlich über einen großen Frequenzbereich (10 - 80 MHz) kontinuierlich verstimmt werden kann. Es erwies sich dazu als notwendig, die Ursachen für die Änderung der Halbleitereigenschaften mit der Temperatur zu verstehen und genaue Informationen über das Verhalten einzelner Bauelemente bei tiefen Temperaturen zu erhalten. Aus diesem Problem heraus ist der vorliegende Report entstanden. In Abschnitt 2 wird das Temperaturverhalten der wichtigsten Halbleitereigenschaften untersucht und Daten aus der Literatur zusammengestellt. Die untersuchten Eigenschaften sind: die Bandlücke, die Ionisierungsenergievon Fremdatomen, die Dichte der freien Ladungen, die Beweglichkeit, die elektrische und die thermische Leitfähigkeit, die Stoßionisation, die Lebensdauer von Ladungen und das Rauschen. Im Abschnitt 3 werden einzelne Bauelemente untersucht und unsere Meßergebnisse sowie die anderer Autoren beschrieben und diskutiert. Untersucht wurden Dioden, Varaktordioden, Zenerdioden, Tunneldioden, Halbleiterdetektoren, bipolare Transistoren und Feldeffekttransistoren. In Abschnitt 4 schließlich wird ein Oszillator beschrieben, der im flüssigen Heliun arbeitet und der kontinuierlich zwischen 30 und 52 MHz verstimmt werden kann. Esbesteht prinzipiell keine Schwierigkeit, den Frequenzbereich zu erweitern, wenn man geeignetere Varaktordioden findet als die, die wir verwendet haben. Der Oszillator gestattet die Messung der Kernspinresonanz (an Al) mit einem Signalrauschverhältnis von 100:1. Die erreichte Feldmeßgenauigkeit ist 5$\cdot$10$^{-5}$. Sie läßt sich ohne großen Aufwand weiter erhöhen. zusammenfassend läßt sich folgendes über die oben aufgeführten Halbleitereigenschaften sagen. Die Bandlücke E$_{g}$ nimmt beim Abkühlen zu. Die Dichte der Majoritätsladungen wird bestimmt durch exp(-E$_{d}$/kT), die der Minoritätsladungen durch exp(-E$_{g}$/kT). DakT bei 4.2 K wesentlich kleiner als die Bandlücke E$_{g}$ aller üblichen Halbleiter ist, wird die Minoritätsladungsdichte extrem klein. In Ge und vor allem Si ist kT bei 4.2 K aber auch noch wesentlich kleiner als die Ionisierungsenergie E$_{d}$ der Fremdatome, so daß in diesen Elementen die Majoritätsladungen ebenfallsausfrieren. Nicht vom Ausfrieren der Ladungen betroffen sind n-dotierte III-V Verbindungen wie GaAs und InSb. Für sie ist E$_{d}$ = O. Auch starke Dotierungsgrade reduzieren die Ionisierungsenergie. In Si und Ge durchlaufen die Beweglichkeit und die elektrische Leitfähigkeit ein Maximum beim Abkühlen. Der Tieftemperaturwert(4.2 K) dieser Größen liegt weit unter dem entsprechenden Raumtemperaturwert. In den n-dotierten III-V Verbindungen, die nicht vom Ausfrieren der Ladungen betroffen sind, sind Beweglichkeit und Leitfähigkeit bei 4.2 K von derselben Größenordnung wie bei Raumtemperatur. Die Lebensdauer von Minoritätsladungen nimmt um mehrere Größenordnungen beim Abkühlen auf 4.2 K ab. Auch das thermische Rauschen sinkt stark ab. Bezüglich der einzelnen Bauelemente läßt sich folgendes generell sagen. Wegen des Ausfrierens der Ladungen sind Halbleiterbauelemente, in denen III-V Verbindungen verwendet werden, durchweg solchen vorzuziehen, in denen Ge oder sogar Si verwendet wird. .Aber auch von der Funktionsweise her sind nicht alle Bauelemente gleich gut für den Tieftemperaturbetrieb geeignet. Wegen der starken Verkürzung der Lebensdauer von Minoritätsladungen beim Abkühlen ist es wesentlich günstiger, wenn der Ladungstransport durch Majoritäts- statt durch Minoritätsladungen bewerkstelligt wird. Deshalb sind Feldeffekttransistoren den bipolaren Transistoren unbedingt vorzuziehen. Bauelemente, die auf Feldemissionoder Tunneln von Ladungen durch Potentialbarrieren beruhen, sind sehr gut für den Tieftemperaturbetrieb geeignet. Hierzu gehören Tunneldioden, manche Zenerdioden und MOSFETs. |