Der Transistor

Ais ich es vor einigen Jahren tibernahm, eine Monographie tiber den Transistor zu schreiben, wurde mir sehr bald klar, daB der ungewohnlich schnelle Fortschritt der Transistortechnik die Fahigkeit eines einzelnen Autors, ihm gerecht zu werden, tibersteigt. Ich sah mich deshalb nach Mit­ arbeitern urn. Es gelang mir, hervorragende Fachleute, die Herren Prof. BENEKING, Dr. KROMER und Dr. v. MUNCH zur Mitarbeit zu gewinnen. Die Aufteilung eines Stoffes auf mehrere Verfasser hat Vorztige und birgt Gefahren. Eine gewisse Heterogenitat in Stil und Darstellung laBt sich dabei nicht ganz vermeiden. Der Gewinn liegt darin, daB die Teilgebiete von den Verfassern auf Grund ihrer speziellen Kenntnisse besonders tief­ grtindig bearbeitet werden konnen. Ferner liefert jeder Autor ein abge­ schlossenes und fUr sich lesbares Kapitel. Dadurch wird dem Leser die Bewaltigung des gesamten Stoffes erleichtert. Ich hoffe, daB im vorliegen­ den Fall die Vorteile die Nachteile tiberwiegen. Dem Sinne der vorliegenden Sammlung von technisch-physikalischen Einzeldarstellungen entsprechend, haben die Verfasser versucht, das fUr das Verstandnis des Transistors erforderliche Wissen und die fUr den Um­ gang mit ihm notwendigen Voraussetzungen von einem vorwiegend phy­ sikalischen Standpunkt aus darzustellen, wobei die grundlegenden Fragen besonders berticksichtigt wurden. Das Buch ist dementsprechend fUr aIle Naturwissenschaftler, Physiker, Techniker und Studierende dieser Ge­ biete geschrieben, die sich mit der Physik und Technik des Transistors beschaftigen wollen und sich fUr ein tieferes Verstandnis diesel' ::\laterie interessieren. Die Literaturverzeichnisse werden dem an einer eingehen­ deren Behandlung einzelner Fragen interessierten Leser weiterhelfen.

A Die physikalischen Grundlagen des Transistors.- I. Das Bändermodell der Halbleiter.- 1. Energiebänder in Kristallen.- 2. Die effektiven Massen von Elektronen in Kristallen.- 3. Metalle — Nichtleiter — Halbleiter.- 4. Fermi-Statistik.- 5. Störstellen.- II. Raumladungsschichten bei inhomogener Störstellenkonzentration.- 1. Flache und steile Störstellengradienten.- a) Flacher Störstellengradient.- b) Steiler Störstellen gradient.- 2. pn-Übergärige.- 3. Spezielle pn-Übergänge.- a) Linearer pn-Übergang.- b) Abrupter pn-Übergang.- c) pin-Übergang.- 4. Oberflächenrandschichten und Metall-Halbleiterkontakt.- III. Elektronen- und Löcherströme in homogenen Halbleitern und durch pn-Übergänge.- 1. Die Leitfähigkeit homogener Halbleiter.- 2. Inhomogene Störstellendichte; Diffusion und Lebensdauer.- 3. Das Gleichstromverhalten des pn-Überganges.- 4. Das Frequenzverhalten des pn-Überganges.- 5. pn-Übergänge mit Driftfeld.- 6. Verfeinerungen der Theorie.- a) Thermische Generation und Rekombination in der Raumladungsschicht.- b) Feldinduzierte Trägererzeugung.- c) Oberflächeneffekte.- d) Sonstiges.- IV. Allgemeine Theorie des Transistors.- 1. Das Prinzip des Transistors.- 2. Mathematische Formulierung einer elementaren Theorie des Transistors.- a) Gleichstromanteil.- b) Wechselstromanteil.- 3. Frequenzverhalten.- a) Diffusionstransistor.- b) Drifttransistor.- 4. Übersicht über die notwendigen Verfeinerungen der Theorie.- 5. Oberflächenrekombination.- 6. Die Stromdichteabhängigkeit der Stromverstärkung.- 7. Der endliche Kollektorleitwert und die Rückwirkung des Kollektors auf den Emitter.- 8. Der Basiswiderstand.- 9. Hochfrequenztransistoren.- 10. Transistoren mit ? > 1.- a) Transistor mit Stoßvervielfachung.- b) Trägerinjektion in den Kollektor (Vierschichtentransistor, Thyristor).- Literaturverzeichnis zu Teil A.- B Die technologischen Grundlagen des Transistors.- I. Die Technologie des Halbleitermaterials.- 1. Halbleiterelemente und Halbleiterverbindungen.- 2. Physikalische Eigenschaften von Germanium und Silizium.- 3. Präparation von Germaniumeinkristallen.- a) Reinigung des Ausgangsmaterials.- b) Kristallzüchtung.- 4. Präparation von Siliziumeinkristallen.- 5. Prüfung des Kristallmaterials.- a) Widerstand und Homogenität.- b) Lebensdauer der Minoritätsladungsträger.- c) Orientierung der Kristalle.- d) Kristallbaufehler.- II. Die Technologie von pn-Übergängen und Transistoren.- 1. Die Zugtechnik der pn-Übergänge und Transistoren.- a) Das Zugverfahren.- b) Das Stufenziehverfahren.- 2. Die Legierungstechnik der pn-Übergänge und Transistoren.- 3. Die Diffusionstechnik.- a) Die Herstellung von pn-Übergängen nach dem Diffusionsverfahren.- b) Die Markierung des diffundierten pn-Überganges.- c) Die technische Durchführung der Diffusionsverfahren.- 4. Oberflächenprobleme und Ätzmethoden.- a) Die reine und technische Oberfläche von Germanium und Silizium.- b) Oberflächeneffekte am pn-Übergang, die Stabilität von Transistorparametern.- c) Oberflächenbehandlung.- 1. Die chemische Ätzung.- 2. Die elektrolytische Ätzung.- 3. Die elektrolytische Formgebung.- 5. Der Hochfrequenztransistor.- a) Der elektrochemische Transistor.- b) Der Drifttransistor.- c) Der Flächentransistor mit diffundierter Basis (Mesa-Transistor, Planartransistor).- 6. Der Leistungstransistor.- a) Stromdichteeffekte.- b) Hochspannungseffekte.- c) Legierte und diffundierte Leistungstransistoren.- d) Wärmeableitung.- Literaturverzeichnis zu Teil B.- C Allgemeine Schaltungstheorie des Transistors.- Vorbemerkung.- I. Der Transistor als Schaltelement.- 1. Das Gleichstromverhalten des Transistors.- a) Grundschaltungen.- b) Restströme.- c) Arbeitspunkteinstellung.- d) Temperaturverhalten.- e) Arbeitspunktstabilisierung.- f) Betriebstemperatur und Verlustleistung.- g) Stabilisierung von Betriebsspannung und -ström.- 2. Das Wechselstrom-Ersatzschaltbild des Transistors.- a) Herleitung des Ersatzschaltbildes.- b) Wechselstromverhalten der Basisschaltung.- c) Wechselstromverhalten der Emitterschaltung.- d) Wechselstromverhalten der Kollektorschaltung.- 3. Analogie zur Vakuumröhre.- a) Analogkennwerte.- b) Analogersatzschaltbild.- II. Grundlagen der Schaltungsberechnung.- 1. Vierpolformen und Ersatzschaltbilder.- 2. Leistungsverstärkung und Stabilität.- a) Reelle Kenngrößen.- b) Komplexe Kenngrößen.- c) Schwingabstand.- 3. Vergleich der drei Transistor-Grundschaltungen.- 4. Gegenkopplung.- III. Transistorschaltungen.- 1. Kleinsignalverstärkung.- a) Gleichstromverstärker.- b) Niederfrequenzverstärker.- c) Hochfrequenzverstärker.- d) Breitbandverstärker.- e) Schwingungserzeugung und Entdämpfung.- 2. Großsignalverstärkung.- 3. Impulsverhalten.- a) Der Transistor als Schalter.- b) Umschaltverhalten.- c) Impulsschaltungen.- Hilfsblätt.- Hilfsblatt 1 Temperatur kompensation.- Hilfsblatt 2 Optimale Vierpol-Verstärkung.- Hilfsblatt 3 Wirkanpassung.- Hilfsblatt 4 Blindanpassung.- Literaturverzeichnis zu Teil C.- D Physikalische und technische Eigenschaften der Transistoren.- I. Transistormeßtechnik.- 1. Kennlinienschreiber.- 2. Messung der quasistatischen Vierpolparameter.- 3. Messung der Hf-Parameter.- 4. Rausch- und Klirrfaktormessungen.- II. Eigenschaften verschiedener Typen von Transistoren.- 1. Die Kennlinienfelder.- 2. Die Abhängigkeit der quasistatischen Vierpolparameter vom Arbeitspunkt.- 3. Die Temperaturabhängigkeit.- 4. Rauscheigenschaften.- III. Spezielle Halbleiterbauelemente.- 1. Photodiode und Phototransistor.- 2. Der Unipolartransistor.- 3. Vierschichtentransistor und Vierschichtendiode.- 4. Doppelbasisdiode und speichernder Schalttransistor.- 5. Die Tunneldiode.- Literaturverzeichnis zu Teil D.- Namenverzeichnis.