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Alexander Klös
Nanoelektronik
Bauelemente der Zukunft
1 Einführung in die Nanoelektronik
15
1.1 Bedeutung der Mikroelektronik
15
1.2 Chancen der Nanoelektronik
16
2 Eigenschaften von Halbleitern
18
2.1 Struktur von Halbleitern
18
2.1.1 Bandstruktur
18
2.1.2 Atomarer Aufbau von Silizium
20
2.1.3 Kristallgitter
21
2.2 Eigenleitung
24
2.3 Fremdleitung
25
2.3.1 n-dotiertes Silizium
25
2.3.2 p-dotiertes Silizium
26
2.3.3 Ladungsbilanz
27
2.4 pn-Übergang
28
2.4.1 Sperrwirkung der pn-Diode
28
2.4.2 Lösung der Poisson-Gleichung am pn-Übergang
31
2.5 Wiederholungsfragen
34
2.6 Übungen
35
2.7 Lösungen
35
3 Teilchen und Wellen
37
3.1 Dualismus von Welle und Teilchen
37
3.2 Die Schrödinger-Gleichung
39
3.2.1 Fourier-Transformation
39
3.2.2 Materiewellen
41
3.2.3 Eindimensionale, zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung
43
3.3 Der Potenzialtopf
44
3.4 Quantenstrukturen
51
3.5 Orbitale des Wasserstoffatoms
52
3.6 Transmission, Reflexion und Tunneleffekt
54
3.7 Wiederholungsfragen
57
3.8 Übungen
58
3.9 Lösungen
59
4 Bandstruktur und Bändermodell
61
4.1 Wellenfunktion und Bandstruktur im Kristall
61
4.2 Generation und Rekombination
64
4.2.1 Generationsprozesse
65
4.2.2 Rekombinationsprozesse
66
4.3 Bändermodell
67
4.3.1 Intrinsisches Silizium
67
4.3.2 Dotiertes Silizium
70
4.4 Metallurgische Übergänge
72
4.4.1 pn-Übergang
72
4.4.1.1 Thermisches Gleichgewicht
72
4.4.1.2 Flussrichtung
74
4.4.1.3 Sperrrichtung
77
4.4.2 Schottky-Übergang
77
4.4.2.1 Thermisches Gleichgewicht
78
4.4.2.2 Flussrichtung
81
4.4.2.3 Sperrrichtung
81
4.4.2.4 Effektive Barrierenhöhe
81
4.4.3 Heteroübergänge
83
4.4.4 Allgemeine Vorgehensweise zur Konstruktion eines Bändermodells
83
4.5 Fermi-Integral und Zustandsdichte
84
4.5.1 Dreidimensionales System
84
4.5.2 Zweidimensionales System
88
4.5.3 Eindimensionales System
88
4.6 Wiederholungsfragen
89
4.7 Übungen
89
4.8 Lösungen
90
5 Ladungstransport in Halbleitern
93
5.1 Driftstrom
93
5.2 Diffusionsstrom
99
5.3 Kontinuitätsgleichungen
100
5.4 Tunnelstrom
100
5.4.1 Single-Band-Tunneln
101
5.4.2 Band-zu-Band-Tunneln
101
5.5 Wiederholungsfragen
103
5.6 Übungen
104
5.7 Lösungen
104
6 Grundlagen der Halbleitertechnologie
106
6.1 Silizium-Planartechnologie
106
6.2 Herstellung einkristalliner Wafer
107
6.3 Chemische Depositionsverfahren
109
6.3.1 CVD-Prozesse
109
6.3.2 Epitaxie
111
6.4 Physikalische Depositionsverfahren
111
6.4.1 Aufdampfen
111
6.4.2 Sputtern
112
6.4.3 Materialien zur Metallisierung
113
6.4.3.1 Aluminium
113
6.4.3.2 Kupfer-Metallisierung
113
6.5 Lithografie
113
6.5.1 Fotolithografie
114
6.5.2 Elektronenstrahllithografie
116
6.5.3 Röntgenlithografie
117
6.6 Ätzprozesse
117
6.6.1 Nasschemisches Ätzen
117
6.6.2 Trockenätzen
118
6.6.2.1 Plasmaätzen
118
6.6.2.2 Reaktives Ionenätzen
118
6.6.2.3 Sputter-Ätzen
119
6.7 Thermische Oxidation
119
6.8 Dotierung
121
6.8.1 Diffusion
121
6.8.2 Ionenimplantation
122
6.9 CMOS-Prozess
123
6.10 Wiederholungsfragen
126
7 Klassische Bauelemente der Mikroelektronik
128
7.1 Diodenstrukturen
128
7.1.1 pn-Diode
129
7.1.1.1 Schwache Injektion
129
7.1.1.2 Hohe Injektion
133
7.1.1.3 Sperrverhalten
134
7.1.1.4 Sperrschichtkapazität
134
7.1.1.5 Diffusionskapazität
136
7.1.1.6 Kleinsignalersatzschaltbild
137
7.1.2 Esaki-Tunneldiode
138
7.1.3 Resonante Tunneldiode
140
7.1.4 Schottky-Diode
142
7.1.4.1 Thermischer Emissionsstrom
142
7.1.4.2 Tunnelstrom
144
7.2 Bipolartransistor
146
7.2.1 Funktionsweise in eindimensionaler Näherung
148
7.2.2 Early-Effekt
150
7.2.3 Stromgleichungen und Kennlinien
150
7.2.4 Ebers-Moll-Modell
153
7.2.5 Kleinsignalersatzschaltbild
155
7.2.6 Strukturbezogenes Ersatzschaltbild im SBC-Prozess
156
7.3 MOS-Feldeffekttransistor
158
7.3.1 Prinzipielle Funktionsweise
159
7.3.2 Schwellspannung
162
7.3.2.1 Flachbandzustand
162
7.3.2.2 Starke Inversion
162
7.3.2.3 Schwellspannungsimplantation
165
7.3.2.4 Substrateffekt
165
7.3.2.5 Transistortypen
166
7.3.3 MOS-Kapazität
167
7.3.4 Vereinfachtes Strommodell
169
7.3.4.1 Gradual-Channel-Approximation
169
7.3.4.2 Kanallängenmodulation
171
7.3.4.3 Kennlinien
172
7.3.5 Kleinsignalverhalten
174
7.3.5.1 Kleinsignalleitwerte
174
7.3.5.2 Kapazitive Effekte
176
7.3.5.3 Meyer-Modell
178
7.3.5.4 Kleinsignalersatzschaltbild
181
7.3.6 Grenzen Bulk-MOSFET
181
7.4 Optoelektronische Bauelemente
182
7.4.1 Strahlungsbauelemente
182
7.4.1.1 Lumineszenzdiode
182
7.4.1.2 Halbleiterlaser
184
7.4.2 Absorptionsbauelemente
185
7.4.2.1 Fotodiode
186
7.4.2.2 Solarzelle
188
7.5 Wiederholungsfragen
190
7.6 Übungen
192
7.7 Lösungen
197
8 Digitale CMOS-Schaltungstechnik
206
8.1 Logikgatter
206
8.1.1 Inverter
206
8.1.2 NAND und NOR
211
8.2 Leistungsaufnahme
213
8.3 Speicherbausteine
214
8.3.1 DRAM
215
8.3.2 6T-SRAM-Zelle
215
8.3.3 Flash-Speicher
217
8.4 Wiederholungsfragen
223
8.5 Übungen
224
8.6 Lösungen
225
9 Nanostruktur-Feldeffekttransistoren
226
9.1 Skalierung der CMOS-Technologie
227
9.1.1 Moore'sches Gesetz
227
9.1.2 Selbstjustiertes Polysilizium-Gate
229
9.1.3 Kupferverdrahtung und Low-k-Dielektrikum
230
9.1.4 Verspanntes Silizium
230
9.1.5 High-k-Metal-Gate-Technologie
231
9.1.6 Multi-Gate-Transistoren
232
9.2 Kleingeometrie-Bulk-MOSFET
233
9.2.1 Bändermodell Source-Kanal-Drain
233
9.2.2 Ableitung verbesserter Stromgleichungen
235
9.2.2.1 Starke Inversion
235
9.2.2.2 Schwache Inversion
238
9.2.3 Kurzkanaleffekte
242
9.2.3.1 Schwellspannungsverschiebung
243
9.2.3.2 Leckstrom
244
9.2.3.3 Verschlechterung des Subthreshold-Swing
244
9.2.3.4 Bahnwiderstände
247
9.2.3.5 LDD-Strukturen
249
9.2.3.6 Ladungsträgerinjektion
249
9.2.3.7 Weitere Kurzkanaleffekte
250
9.2.4 Schmalkanaleffekte
251
9.2.4.1 Standard-LOCOS-Isolation
251
9.2.4.2 Trench-Isolation
253
9.3 UTB-Technologie
253
9.3.1 SOI-Substrat
253
9.3.2 UTB-MOSFETs
255
9.3.2.1 Partially Depleted SOI
257
9.3.2.2 Fully Depleted SOI
257
9.4 Multiple-Gate-MOSFET
258
9.4.1 Double-Gate-MOSFET
258
9.4.1.1 Bändermodell
258
9.4.1.2 Stromgleichung
262
9.4.1.3 Diskrete Dotierstoffverteilung
265
9.4.1.4 Ultra-Kurzkanal-FET
267
9.4.2 Dreidimensionale Effekte in Multiple-Gate-MOSFETs
272
9.4.2.1 Bauelementstrukturen
272
9.4.2.2 Strompfad
274
9.4.2.3 Skalierung im Schaltungsdesign
279
9.5 Wiederholungsfragen
280
9.6 Übungen
281
9.7 Lösungen
282
10 Alternative Nanostruktur-MOSFETs
283
10.1 Ziele für alternative Transistorstrukturen
283
10.2 High-Mobility-Channel-FET
286
10.3 Junctionless-MOSFET
287
10.3.1 Funktionsweise
287
10.3.2 Kennlinie
290
10.3.3 Vorteile
291
10.3.4 Nachteile
291
10.4 Schottky-Barrier-MOSFET
292
10.4.1 Funktionsweise
292
10.4.2 Kennlinie
295
10.4.3 Vorteile
296
10.4.4 Nachteile
297
10.5 Tunnel-FET
297
10.5.1 Funktionsweise
298
10.5.2 Optimierung der Kennlinie
299
10.5.2.1 Einschaltstrom
300
10.5.2.2 Ambipolarer Strom
301
10.5.2.3 Subthreshold-Swing
303
10.5.3 Vorteile
305
10.5.4 Nachteile
305
10.6 Weitere Steep-Slope-Switches
306
10.6.1 Impact-Ionization-FET
306
10.6.2 Negative-Capacitance-MOSFET
307
10.7 Wiederholungsfragen
308
Konstanten und Materialparameter
309
Formelzeichen
310
Literatur
316
Index
318
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