Welcher Aggregatszustande werden für was benutzt?
Meist feste Werkstoffe
Außer Betriebsstoffe oder Prozessstoffe (flüssig oder gasförmig)
Welche Werkstoffklassen gibt es?
Metalle
Keramiken
Halbleiter
Verbundwerkstoffe
Welche Charakteristiken gibt es von Werkstoffen?
Masse
Schmelzpunkt
Reaktionsfähigkeit
Was befindet sich im Kern und was in der Hülle?
Protonen und Neutronen im Kern
Elektronen in der Hülle
Wie können Elektronen in höhere „Schalen“ wechseln?
Energiezufuhr (Wärme, Teilchenstöße)
Was passiert beim Zurückspringen von elektronen in urspruns”schale”?
Kann beim Zurückspringen elektromagnetische Strahlung freiwerden
Strahlung ist elementspezifisch
Und hängt von der Schale ab, wo es zurückspringt
Welche Probleme hat das bohrische Atommodel
Kann chemische Bindungen nicht erklären
Widerspruch zur Unschärferelation
Was ist das Orbital-Modell?
Elektronen werden als Welle und Teilchen behandelt
Energiegehalt bestimmt Form
Position wird als Aufenthaltswahrscheinlichkeit um den Kern beschrieben
Nebenquantenzahl (s, p, d, f)
Was ist speziell an Übergangsmetallen?
Sind Metalle, wo das s4-Orbital vor dem d3-Orbital gefüllt wird, weil dieses energetisch niedriger ist
Wie verhält sich der Abstand zwischen den Orbitalen abhängig von der Anzahl von Orbitalen und wie ist die Energiedifferenz zwischen diesen Orbitalen?
Je größer die anzahl der orbitale, desto geringer die Abstände zwischen den Orbitalen und desto geringer die Energiedifferenzen
Wie werden die Elektronen den Orbitalen zugeordnet?
Pauli-Prinzip => nur 2 Elektronen pro Orbital (Spins)
Hundsche Regel => gleiches Energieniveau, erst ein Elektron, dann zweites
Bei p, d, f gibt es mehrere Richtungen, deswegen mehr Platz für Elektronen
Für was braucht man Bindungen?
Edelgaskonfiguration
Bildung von Metallgittern und Molekülen
Was ist eine Edelgaskonfiguration?
Sehr stabiler Zustand
Was sind Edelgase?
Tiefe Schmelzpunkte
Bsp. He, Ne, Ar...
Intergas (reagiert nicht)
Was für Bindungsarten gibt es?
Ionenbindung
Kovalente Bindung
Metallische Bindungen
Was ist die Ionenbindung?
Atome werden zu Ionen
Valenzelektronen addieren sich (Valenzelektronenaustausch)
Heteropolar
Richtungsunabhängige Bindung (Isotrop)
Was sind Eigenschaften von Ionenbindung?
Sehr starke Bindungskräfte (3000 kJ/mol werden benötigt, um zu trennen)
Schlecht elektrisch leitfähig
Meist Keramiken oder Ausscheidung von Metallen
Leicht polarisierbar
Was sind Kovalente Bindungen?
Bindungspartner teilen sich Elektronen
Bindungsenergie 1500 kJ/mol
Stark richtungsabhängig (anisotrop)
Was sind Kovalente Bindungen mit 1, 2, 3, 4 Elektronenpaaren?
Teilen sich 1 Elektronenpaar (jedem fehlt 1)
Teilen von 2 Elektronenpaaren => Kettenbildung (jedem fehlt 2)
Teilen von 3 Elektronenpaaren => flächenartige Anordnung (jedem fehlen 3)
Teilen von 4 Elektronenpaaren => räumliche Strukturen (Tetraeder)
Was sind Metallische Bindungen?
Gemeinsames Elektronengas
Meist ist die Valenzelektronenzahl kleiner als vier
Atomrümpfe haben Edelgaskonfiguration
Elektrisch leitfähig
Sind richtungsunabhängig (isotrop)
1000 kJ/mol (wenig)
Welche Arten von Bindung zwischen Molekülen gibt es?
Van-der-Waals-Bindung
Wasserstoffbrücken
Dipolbindungen
Kein Austausch von Elektronen!
Was ist die Van-der-Waals-Bindung?
Verschiebung der Elektrondichte
Eine Art „Dipolbindung“
10 kJ/mol (schwach)
Anisotrop
Was für Bindungen haben Werkstoffe?
Keramik zwischen kovalent und ionisch
Halbleiter kovalent
Metalle metallisch
Polymere van der Waals und kovalent
Was für Kräfte treten beim Annähern von Atomen auf?
Anziehende Kräfte, abhängig von Bindung
Abstoßende Kräfte, Pauli-Prinzip mit Elektronen
Wann heben sie sich Abstoßende und anziehende Kräfte in Bindungen auf?
Im Gleichgewichtszustand a0, also wenn Fres = 0
Wie hängt die Bindungsenergie mit der Bindungskraft zusammen und wovon ist sie abhängig?
Bindungskraft ist die Änderung (Steigung) der Bindungsenergie
Ist abhängig von der Art der Bindung
Was ist a0 bei der Bindungsenergie-Weg-Diagramm?
Extremstelle => Minimum
Was sagt a0 über die Gitterkonstante aus?
A0 groß => Gitterkonstante groß
Warum kann das bohrische Atommodell keine chemische Bindung erklären?
Weil Elektronen nicht geteilt werden könnten
Warum steht das bohrische Schalenmodell im Widerspruch mit der Unschärferelation?
Weil Elektronen als Teilchen mit definiertem Punkt im Raum betrachtet werden
Wo hat die Bindungsenergie ihr Minimum?
Bei a0
Wie heißt die Bindungsenergiekurve noch?
Potentialkurve
Von was ist die Form der Potentialkurve abhängig?
Bindungsenergie
Art des Materials und Bindungstyp
Temperatur
Wie hängt die Gitterkonstante mit dem Bindungsabstand zusammen?
Direkt proportional
Wodurch kann man rechnerisch dem Bindungspotential näher kommen?
Lennard-Jones-Potential
Wie erhält man mit dem Lennard-Jones-Potential den Gleichgewichtsabstand?
a0 liegt beim Minimum => Nullstelle der ersten Ableitung
Was passiert mit a0, wenn die Temperatur ansteigt?
a0 wird größer, und das Material dehnt sich aus
Was passiert, wenn die Temperatur über 0 K liegt?
(Potenialkurve)
Atome schwingen bei quantisierter Schwingungsenergie
Von was hängt ab, wie stark sich a0 verschiebt bezogen auf das Bindungsenergie-Abstandsdiagramm?
Asymmetrie und Symmetrie der Potentialkurve (abhängig von alpha)
Welche Materialien haben welche Art von Potentialkurve?
Polymere = asymmetrisch
Keramiken = symmetrisch
Was ist die Definition von Kristallstruktur?
Streng periodische Anordnung
Gitter = räumlich periodisches, mathematisches Punktemuster
Basis = Atom oder Molekül auf Gitterpunkt
Elementarzelle = kleinste Einheit des Gitters in periodischer, räumlicher Anordnung
Wieviele Kristallsysteme gibt es?
7
Wieviele Gittertypen gibt es und wie heißen sie?
14, Bravais-Gitter
In welchen Eigenschaften unterscheiden sich die Kristallsysteme?
Kantenlänge und Winkel
Kristallsystem nur in Ecken mit Gitterpunkt besetzt?
Primitives Elementarzelle
Kristallsystem mit Gitterpunkt in der Mitte einer Elementarzelle?
Raumzentrierte Elementarzelle
Kristallsystem mit Gitterpunkt an den Seitenflächen einer Elementarzelle?
Flächenzentrierte Elementarzelle
Welche Kristallsysteme sind rechtwinklig?
Kubisch (alle Seiten gleich)
Hexagonal (sechseckige Grundfläche)
Welche Kristallsysteme haben fast alle Metalle?
Krz. = kubisch raumzentriert
Kfz. = kubisch flächenzentriert
Hdp. = hexagonal dicht
Welches Kristallsystem haben Metalle nicht?
Kubisch primitiv
Welche Kristallsysteme haben Halbleiter?
Kfz. und Krz.
Welche Atomsorten kristallisieren in kubisch raumzentriert?
Besteht nur aus einer Atomsorte, z. B. Fe, W
Wie viele Atome enthält die Elementarzelle bei krz.?
8 mal 1/8 Eckatome und 1 Atom in der Mitte = 2
Wieviele Atomsorten hat kfz.?
Nur eine Sorte
Wie viele Atome hat eine Elementarzelle bei kfz.?
6 Flächen mit ½ Atomen + 8 Eckatome mit 1/8 = 4
Was für Stapelfolgen gibt es bei hexagonal dichtester Packung?
AB und ABC
Welche Metalle sind Hdp.?
Magnesium und Titan
Was ist die Elementarzelle von hdp.?
Rautenförmige Grundfläche, kein Sechseck
Welche Kristallstrukturen gibt es mit einer Basis von 2 Atomen?
CsCl
NaCl
Diamantstruktur
Zinkblendestruktur
Wurzitstruktur
Was ähnelt der CsCl-Struktur und was ist der Unterschied?
Krz., aber nicht aus einer Atomsorte; Na-Gitter um die Hälfte der Raumdiagonale verschoben, Cl-Gitter
Was ähnelt der NaCl-Struktur und was ist der Unterschied?
Kfz., aber aus zwei Atomsorten; Na-Gitter um die Hälfte der Raumdiagonale verschoben, Cl-Gitter
Welche Materialien sind in der Diamantstruktur?
Diamant, Silizium und Germanium
Wie kann man die Diamantstruktur noch beschreiben?
Zwei kfz.-Gitter, um ein Viertel der Raumdiagonale verschoben, mit Basis aus zwei Atomen
Was ist die Struktur bei Zinkblende?
Wie Diamantstruktur, aber aus zwei verschiedenen Atomsorten
Aus was besteht die Wurzitstruktur?
Zwei hdp.-Gitter mit jeweils einer Atomsorte und der Basis aus zwei verschiedenen Atomsorten
Was ist richtungsabhängig und was nicht?
Isotrop und anisotrop?
Polykristall und Einkristall?
Antisotrop = Einkristall
Isotrop = Polykristalle
Was haben Einkristallen (Antisotrop)?
Facettierte Flächen; Eigenschaften abhängig von der Richtung
Was sind Materialien ohne Struktur?
Amorphe Strukturen
Keine symmetrische Struktur; jedes Atom hat eine andere Struktur; keine Facetten, z. B. Glas
Was passiert bei der Elektronenhybridisierung?
s- und p-Orbitale verbinden sich zu sp-Orbitalen, wichtig für Bindungen
Wie gibt es zwei Strukturen aus einer Atomsorte?
Zwei Energieminima bei Bindungsabstandsdiagramm; hohe Energiebarriere dazwischen
Für was ist die Kristallorientierung wichtig?
Festigkeit, elektrische und magnetische Eigenschaften
Für was nutzt man Millersche Indizes?
Darstellung von kristallographischen Ebenen
Wo befindet sich der Ursprung des Koordinatensystems bei Elementarzellen?
In der hinteren linken unteren Ecke der Elementarzelle
Was sind Maßstäbe in X, Y, Z-Richtung?
Die Gitterkonstanten a, b, c
Wie sind Koordinaten in einer Elementarzelle?
0 < x < 1
Wie heißen die Koordinaten von der Mitte der krz. Zelle?
(1/2, 1/2, 1/2)
Wichtige Regeln bei kristallographischen Richtungen?
Richtungen werden in eckigen Klammern angegeben [u v w]
Negative Richtungen werden mit Balken über Zahl angegeben
Reduzierung auf kleinsten ganzzahligen Wert
Was kann man im kubischen System anwenden?
Skalarprodukt
Wie werden äquivalente kristallographische Richtungen angegeben?
<u v w>
Spruch für äquivalente kristallographische Richtungen in 2D?
Schaut man in die äquivalente Richtungen sieht alle gleich aus
Was sind Netzebenschare?
Sind Ebenen, die sich periodisch parallel wiederholen
Wie bestimmt man den millerschen Index?
1. Schnittpunkt der Ebene mit X, Y, Z-Achse als m, n, q notieren
2. Die Ebene darf nicht den Ursprung enthalten
3. Kehrwert von m, n, q berechnen
4. Multiplizieren mit kleinstem gemeinsamen Vielfachen (bis alle Faktoren ganzzahlig sind)
5. Ganzzahlige Werte => h, k, l
6. Kein Schnittpunkt bei m => h = 0
Millerischer Index (h k l)
Wie werden äquivalente Ebenen bezeichnet?
{h k l}
Wie beeinflussen Kristallbaufehler die Eigenschaften?
Elektrisch, magnetisch, chemisch, …
Was sind Kristallbaufehler?
Eine Unterbrechung der periodischen Anordnung der Atome im Raum
Welche Kristallbaufehler gibt es? (klassifiziert nach Dimension)
Nulldimensionale Punktdefekte
Eindimensionale Liniendefekte
Zweidimensionale Korngrenzen und Stapelfehler
Dreidimensionale Fremdphasen, Poren, Risse und Einschlüsse
Was sind intrinsische und extrinsische Defekte?
Intrinsische: rein strukturelle Veränderung
Extrinsische: Fremdatome sind beteiligt
Welche Arten von Punktfehlern gibt es?
Unbesetzte Gitterplätze (Leerstellen)
Und Besetzung eines Zwischengitterplatzes (Zwischengitteratom)
Wo können Fremdatome im Gitter sich befinden?
Auf regulärem Gitterplatz oder Zwischengitterplatz
Was passiert mit steigender Temperatur mit unbesetzten Gitterplätzen?
Nehmen zu
Was ist die Wirkung von Leerstellen?
Verzerrung des Gitters um die Fehlerstelle
Was ist der Schottky-Defekt?
Wenn Paare von Anionen und Kationleerstellen existieren
Entstehen nur bei ionischen Bindungen
Was macht ein Zwischengitteratom?
Verzerrt das Gitter um die Fehlerstelle
Was ist der Frenkel-Defekt?
Nach Bestrahlung wird Atom aus Gitter herausgekickt => Leerstelle und Zwischengitteratom
Wie heißen Fremdatome auf regulären Gitterplätzen?
Substitution
Was ist die Wirkung von Fremdatomen im Gitter?
Stärkere Verzerrungen in der direkten Umgebung
Wie ist die Wirkung von Fremdatomen?
(Dotierung)
Schon geringe Mengen haben große Wirkungen auf die Eigenschaften
z.B. Dotierung von Halbleitern
Was sind Liniendefekte?
Eindimensionale Baufehler
Bsp. Versetzungen
Was sind die zwei Grundtypen von linearen Versetzungen?
Stufenversetzungen
Schraubenversetzungen
Was passiert bei Stufenversetzungen?
Einschub von Halbebene in Kristallgitter
Wo ist die Versetzungslinie bei stufenverschiebung und was ist dort?
Entlang der Kante der eingeschobenen Halbebene
Zwischen Druckkräften und Zugspannungen
Wie funktioniert der Burgersvektor?
Umlauf um die Versetzung herum, Anfangspunkt = Endpunkt
Im ungestörten Umlauf Lücke zwischen Anfangs- und Endpunkt = Burgersvektor
Wie ist der Burgersvektor bei Stufenversetzungen?
Senkrecht zur Versetzungslinie
Was ist wichtig beim Burgersvektor?
Umlauf im gestörten und ungestörten Zustand gleich
Wenn im Uhrzeigersinn gelaufen wird, Burgersvektor um 180° drehen
Was ist die Schraubenversetzung?
Kristall wird entlang einer Ebene halb aufgeschnitten und verschoben
Um die Versetzungslinie (da wo Schnitt aufhört) bilden die Atomebenen eine Spirale
Wie ist der Burgersvektor bei Schraubenversetzungen?
Parallel zur Versetzungslinie
Was sagt die Versetzungsdichte aus?
Die Gesamtlänge der Versetzungslinien pro Volumeneinheit
Wo enden Versetzungen oder was bilden sie?
Versetzungsringe entstehen oder enden bei Korngrenzen, Hindernissen (Phasengrenzen) oder an der Oberfläche
Was ist die Folge von Versetzungen?
Plastische Verformung bei Kristallen möglich
Wie bewegen sich die Versetzungen durch den Kristall?
Bewegen sich auf dichtestgepackten Ebenen und Richtungen durch den Kristall
Wie kann höhere Festigkeit erzeugt werden (Versetzungen)?
Laufweg der Versetzungen im Kristall einschränken
Was ist das Ätzgrubenverfahren?
Große Flächen können sichtbar gemacht werden
Versetzungslinien liegen auf kristallographischen Richtungen
Versetzungslinien sind Punkte
Was zeigt die Pyramiden bei dem Ätzgrubenverfahren?
Welche Kristallsysteme vorhanden sind
Kubisch oder Hdp
Wenn anisotrope Säure genutzt wird
Was entsteht bei isotroper Säure?
Halbkugelätzung
Wie kann man die Versetzungsdichte mit dem Säureätzverfahren erfassen?
Abzählen der Ätzgruben pro Flächeneinheit
1/m² => m/m³
Was für 2-dimensionale Flächendefekte gibt es?
Oberflächen
Stapelfehler
Korngrenzen
Phasengrenzen
Warum ist die Oberfläche ein Kristallbaufehler?
Begrenzung der Kristallstruktur
Fortführung der Stapelfolge ist gestört
Oberflächenatome fehlen auf einer Seite die Bindungspartner
Was ist die Folge für Atomen an der Oberfläche bei Kristallen?
Änderung der Atomabstände an der Oberfläche
Anlagern von Fremdatomen an der Oberfläche
Was ist ein Stapelfehler?
Ändert sich die Abfolge der Ebenen im Gitter
Wiederholen sich periodisch
Nur Änderung in einer Richtung
Was sind Polytypen?
Identische Kristallstrukturen in 2 Richtungen und unterschiedlich in 1 Richtung
Haben teilweise deutlich unterschiedliche physikalische Eigenschaften
Beispiel: SiC
Was machen Korngrenzen?
Trennen Kristallbereiche mit unterschiedlicher Orientierung, aber gleicher Kristallstruktur und Zusammensetzung
Unterschied Klein- und Großwinkelkorngrenzen?
Orientierungsunterschied bei Klein < 15°
Groß > 15°
Wie kann eine Kleinwinkelkorngrenze beschrieben werden?
Durch Versetzungen
Wie kann Großwinkelkorngrenzen beschrieben werden, wo treten sie auf und was lösen sie aus?
Beschreibung: große Störung
Treten auf beim Wachstum von Kristallkörnchen und deren Grenzen
Behindern Versetzungen
Nachweis von Korngrenzen und Körnern?
Ätzen und Polieren der Oberfläche
Unterschiedliche Reflektion der Korngrenzen und Körner
Wegen Kornorientierung
Unterschied Phasengrenze und Korngrenze?
Phasengrenzen trennen Bereiche mit unterschiedlichen chemischer oder physikalischer Zusammensetzung
Korngrenzen trennen Bereiche mit gleicher physikalischer und chemischer Zusammensetzung aber unterschiedliche Orientierung
Was für Phasengrenzen gibt es?
Kohärent
Teilkohärent
Inkohärent
Voraussetzung von kohärenten Phasengrenzen und Wirkung?
Ungefähr gleiche Gitterkonstante
Versetzungen werden durch Phasengrenze fortgesetzt
Teilkohärente Phasengrenze?
Gleiche Kristallstruktur und Orientierung
Gitterkonstante ist stark unterschiedlich
=> Nicht alle Ebenen werden fortgesetzt
Versetzungen können nicht Phasengrenzen durchdringen
Höhere Festigkeit
Inkohärente Phasengrenzen?
Phasen haben unterschiedliche Kristallstruktur und Orientierung
Versetzungen können nicht durchdringen
Was sind Volumendefekte und welche Arten gibt es?
Dreidimensionale Defekte
Fremdphasen
Lunker
Poren
Risse
Wie entstehen Volumendefekte?
Durch die Herstellung
Was sind Fremdphasen?
Häufigster Volumendefekt
Ausscheidungen im Kristallgitter
Was ist ein Lunker?
Hohlräume durch temperaturbedingte Schrumpfung und fehlenden Materialnachfluss
Was sind Poren?
Sind Gaseinschlüsse
Beispiel: Schweißen (Materialdefizite)
Was ist der Diffusionsmechanismus?
Ursache: keine antreibende Kraft sondern unterschiedliche Konzentrationen
=>Netto Teilchenstrom
Wann endet Diffusion?
Teilchendichte überall gleich
Von was ist Diffusion immer abhängig?
(Stationär und nicht stationär)
Temperatur und wenn nicht stationär auch Zeit
Was ist homologe Temperatur?
Aktuelle Temperatur / Schmelztemperatur (Kelvin)
Ab wann kriecht Metall?
30% Schmelztemperatur (Kelvin)
Was ist Selbstdiffusion?
Kein Nettostrom
Kein Konzentrationsunterschied
Interner Wechsel von Atomen
Was ist Fremddiffusion?
Konzentrationsunterschied
Nettostrom
Diffusion von materialfremden Teilchen
Was passiert bei der Leerstellendiffusion?
Atome wechseln auf eine benachbarte Leerstelle
Atom und Leerstelle wechseln Plätze
Was ist interstitielle Diffusion?
Zwischengitteratome bewegen sich zu benachbarten freien Zwischengitterplätzen
Müssen aber relativ klein sein im Vergleich zu den Gitteratomen
Was sind die Gründe für eine schnellere interstitielle Diffusion als die Leerstellendiffusion?
1. Zwischengitteratome sind kleiner und beweglicher
2. Es gibt mehr unbesetzte Zwischengitterplätze als Leerstellen
Was macht ein Diffusionsstrom?
Gleicht ein Konzentrationsunterschied aus
Was ist die stationäre Diffusion?
1. Fickisches Gesetz
Gilt nur, wenn Teilchenstrom nicht zeitabhängig ist
Was ist eine nichtstationäre Diffusion?
Konzentrationsgradient ist zeitabhängig
2. Fickisches Gesetz
=> Eindringtiefe bei Halbleitern kann bestimmt werden
Von was ist die Diffusionskonstante abhängig?
Abhängig von Konzentrationsunterschied
Abhängig von Temperatur
Was ist der Arrheniusgraph?
Arrheniusgraph ist eine logarithmischen Skala
Z. B (y-Achse) Ln(C) über(x-Achse) 1/T
Ist ein linearer Zusammenhang zwischen der Diffusion und der Temperatur
Was kann bei steigender Temperatur passieren? (Ferrit und Austenit)
Eisen kann von krz zu kfz Struktur wechseln
=> Größere Lücken
Was ist an der Oberfläche besonders in Bezug auf die Diffusion?
Weniger Einschränkung, da eine Seite frei ist
Platzwechsel laufen schneller ab
Was passiert, wenn zwei Metalle in Kontakt kommen?
Diffusion beider Metalle ineinander
Verhältnis abhängig von Diffusionskonstante
Was ist das Experiment von Kirkendall?
Diffusion zwischen Kupfer und Messing
Messing schrumpft und Kupfer dehnt sich aus
Was ist die Erklärung für den Kirkendall-Effekt?
Diffusion zweier Metalle bei unterschiedlicher Diffusionskonstanten
Mehr Messing diffundiert in das Kupfer => Kupfer wird größer
Weniger Kupfer diffundiert in Messing => Messing wird kleiner
Außerdem entstehen Kirkendall-Poren
Was sind Kirkendall-Poren? Wo sind sie? Und warum entstehen sie?
Sind Leerstellen von Material, da an der Grenzfläche Atome fehlen
Befinden sich hinter der Grenzfläche
Durch den Kirkendall-Effekt entstehen sie
Was ist der erste Schritt bei Drive-In-Diffusion?
Dotieratome sind in Gasform bei konstantem Druck
Konzentration bleibt an der Oberfläche konstant
Je länger die Diffusionszeit, desto tiefer diffundiert es
Was ist der zweite Schritt?
(Drive in diffusion)
Nachdiffusion
Diffusionsquelle wird entfernt
Diffusionsmaterial verteilt sich besser
Annahme, dass kein Material durch die Oberfläche herausdiffundiert
Was wird zum Dotieren von Silizium benutzt?
p-Dotierung Bor, Aluminium
n-Dotierung Phosphor, Arsen
Was für Probleme gibt es bei der Silizium-Dotierung?
Metalle können von Kontakten eindiffundieren, wegen besserer Diffusion von Ag, Au und Cu in Si als Al
Erzeugen tiefe Störstellen
Lösung: Diffusionsbarrieren
Was ist besonders an Halbleitern?
Sie sind Heißleiter (leiten am besten bei hoher Temperatur)
Durch Dotierung können elektronische Eigenschaften eingestellt werden
Durch Kombination können Dioden oder Transistoren entstehen
Was sind wichtige Halbleitermaterialien?
Si, Ge, C (Diamant)
Wie kommt man vom Orbitalmodell zum Bändermodell?
Nach Pauli-Prinzip nur 2 Elektronen auf einem Energieniveau (Orbital)
In Festkörpern sind es keine einzelnen Atome, Energieniveaus überschneiden sich
Deswegen verschieben sich die Energieniveaus
Bei vielen Atomen ist große Verschiebung nötig => Bänder
Vergleiche zwischen freien, gebundenen und Elektronen in Festkörpern?
Freie Elektronen können jeden Energiezustand einnehmen
Gebundene Elektronen sind auf gewisse Energieniveaus beschränkt
In Festkörpern können sie nur Energieniveaus auf Bändern besetzen
Was sind gebundene und freie Elektronen bei Kristallstrukturen?
Gebundene Elektronen bleiben nah am Atomkern, unberührt
Freie Elektronen gehören zum gesamten Kristall => hohe Überlappung der Orbitale
Was ist das Valenzband?
Dort befinden sich die Valenzelektronen
(Entsteht bei Bindungen oder Häufung von Elektronen)
Was ist das Leitungsband?
Erstes leeres Band
Elektronen können sich in festen Materialien dort bewegen
Was ist die Energielücke Eg?
Verbotene Zone für Elektronen
Zwischen Valenz- und Leitungsband
Muss überwunden werden, damit Material leitend wird
Was ist die Fermi-Energie?
Gibt Energiegrenze an, bis wohin alle Energiezustände besetzt sind
Ist für Metalle gedacht
Entscheidet, wie viel Energie aufgewandt werden muss für freie Elektronen
Bändermodell-Unterschied Metalle, Halbleiter und Isolatoren?
Metalle: Überlappen von Valenzband und Leitungsband => leiten bei geringer Temperatur
Halbleiter und Isolatoren: haben Bandlücke => hohe Temperatur oder Licht wird benötigt
Was hat Einfluss auf die Leitfähigkeit bei Metallen?
Temperatur (Gitterschwingung), Anzahl der Elektronen, Kristallstrukturen und Störstellen
Was sind Lücken bei der Dotierung?
„Positive“ Ladungsträger
Tragen zur Leitfähigkeit bei
Entstehen, wenn Elektron in Leitungsband springt
Wieso ist Metall nicht lichtdurchlässig , aber Halbleiter schon?
Bei Metallen reicht jede Energie, um Elektron ins Leitungsband zu bewegen
Bei Silizium hängt es von Eg ab:
Wenn Licht nicht genügend Energie hat, bleibt es durchsichtig
Was sieht man in dem Kronig-Penny-Modell?
waagrechte Linie sind Eletrkonenbänder
Was ist der Unterschied zwischen interstitieller und substitutioneller Diffusion?
Interstitiell: Atome wandern durch Zwischengitterlücken
Substitutionell: Atome tauschen Plätze im Gitter
Was ist schneller: interstitielle oder substitutionelle Diffusion?
Interstitielle Diffusion ist schneller
Was ist k und wie hängt es mit der Energie von freien Elektronen zusammen?
k ist der Wellenvektor, und es gibt einen parabelförmigen Zusammenhang
Was ist der Unterschied zwischen direkten und indirekten Halbleitern?
Direkte: Minimum von Leitungsband und Maximum von Valenzband an demselben k
Kein Ausgleich von Impulsdifferenzen nötig
Indirekte: Minimum von Leitungsband und Maximum von Valenzband nicht an demselben k
Ineffizienter Prozess (unwahrscheinlicher)
Ausgleich durch Gitterschwingung nötig
Was passiert, wenn e⁻ vom Leitungsband ins Valenzband zurückspringt? (Direkte und indirekte HL)
Direkte HL: Licht emittierend
Indirekte HL: Licht emittierend und Gitterschwingung
Was passiert, wenn e⁻ vom Valenzband ins Leitungsband springt? Bei direkte und indirekte Halbleiter
Direkte HL: Licht nötig > wie Eg
Indirekte HL: Licht nötig, aber deutlich mehr als Eg
Was müssen Halbleiter für elektronische Bauelemente sein und warum?
Sehr reine Form besitzen
Verunreinigungen beeinflussen die elektrischen Eigenschaften
Elektronen können leichter abgegeben oder gebunden werden
Wie ist der Widerstand von undotierten Halbleitern, und wie nennt man das?
Viel Energie nötig, um Elektron vom Valenzband ins Leitungsband zu bringen
Eigenleitung
Wie ist die Bewegungsmöglichkeit von e⁻ bei n-dotierten Halbleitern, und wie nennt man den Stoff, der es auslöst?
1 Valenzelektron mehr => Elektronen können leichter abgegeben werden
Donatoren lösen es aus (Gruppe-V-Elemente)
Wo liegt das Dotierungsniveau bei n-Dotierung?
Unter dem Leitungsband
Wie ist die Bewegungsmöglichkeit von e⁻ bei p-dotierten Halbleitern, wie nennt man den Stoff, der es auslöst, und wie heißt die Leitfähigkeit?
Ein Loch mehr => Elektronen können besser gefangen werden
Durch Akzeptoren entsteht es (Gruppe-III-Elemente)
Es heißt Fremdleitung
Wo liegt das Dotierungsniveau bei p-Dotierung?
Knapp über dem Valenzband
Wie sieht dotierter und undotierter Halbleiter im Arrheniusgraph bezüglich Leitfähigkeit aus?
Undotierter Halbleiter:
Fallende Gerade
Dotierter Halbleiter:
Fremdleitung durch Dotierung bei geringer Temperatur
Bei steigender Temperatur => Erschöpfungsbereich
Hohe Temperatur: Eigenleitung wie undotiert
Wo liegt Eg bei Si?
1,12 eV
Wieviel eV bei 300 K?
26 meV
Was ist besonders bei der Dotierung von III-V-Halbleitern?
Donator oder Akzeptor abhängig davon, welches Atom ersetzt wird
Was ist der Unterschied zwischen Dotierung und Verschmutzung?
Dotierung: geringe Ionisierung, bei der Löcher oder Elektronen frei werden
Verschmutzung: viel höhere Ionisierungsenergie, deswegen binden sie freie Ladungsträger
Was ist die Fermi-Dirac-Verteilung?
Die Besetzungswahrscheinlichkeit von Elektronen
Was sagt die Fermi-Dirac-Verteilung aus und was sind die X- und Y-Achse?
Gibt die Verteilung der Ladungsträge an
X-Achse: W(E) Wahrscheinlichkeit der Elektonbesetung
Y-Achse: Energie
Was steht bei der Fermi-Dirac-Verteilung im Widerspruch mit dem Halbleitermodell?
Die Fermi-Energie kann nicht an der Oberkante des Valenzbands sein
Nicht symmetrisch
Warum gehen Atome Bindungen ein?
Atome wollen immer den energetisch günstigsten Zustand (Edelgaskonfiguration) erreichen.
Durch das Eingehen von Bindungen erreichen die Atome einen energetisch günstigeren Zustand.
Welche Elektronen sind relevant für Bindungen?
Valenzelektronen (Elektronen der äußeren Schale/des äußeren Orbitals).
Welche Bindungsarten kennen Sie?
Kovalente Bindungen
Ionenbindungen
Van-der-Waals-Bindungen
Welche Bindungsarten gehen Silicium Atome ein? Und wann?
Silizium hat vier Valenzelektronen, daher geht es kovalente Bindungen in Tetraeder-Form ein, da das energetisch günstiger ist.
Mit einer gewissen statistischen Wahrscheinlichkeit entstehen auch Van-der-Waals-Bindungen.
Welche Bindungen gehen Kupfer Atome ein und wieso?
Kupfer ist ein Metall und hat eine kleinere Wertigkeit als vier.
Es ist somit energetisch nicht günstig, eine räumliche Struktur wie bei einer kovalenten Bindung einzugehen, deswegen gehen sie metallische Bindungen ein.
Dabei werden die Valenzelektronen in einen Elektronensee abgegeben, wodurch die Atome in den Edelgastzustand kommen -> energetisch günstiger.
Welche Bindungen bilden C-Atome und wieso? Welche Kristallstruktur bilden C-Atome aus?
Kohlenstoff ist vierwertig, deswegen bilden sie kovalente Bindungen.
Außerdem sind Van-der-Waals-Bindungen möglich.
Kohlenstoff kann als Diamantstruktur oder als Graphitstruktur vorkommen.
Welche Regeln gibt es für Orbitale?
Pauli-Prinzip: Jedes Orbital wird von max. 2 Elektronen besetzt (die Elektronen haben unterschiedlichen Spin).
Hundsche Regel: Orbitale mit gleichem Energieniveau werden jeweils mit einem Elektron gefüllt, bevor sie durch das zweite Elektron vervollständigt werden.
Welche Materialien haben die größten/kleinsten Wärmeausdehnungen?
Wärmeausdehnung Keramik < Wärmeausdehnung Metall < Wärmeausdehnung Polymere
Welche Materialien haben die größte Bindungsenergie?
Bindungsenergie Keramik > Bindungsenergie Metall > Bindungsenergie Polymere
Kann man die freigewordene Energie beim Binden von Atomen messen/sehen?
Ja, in Form von Lichtemission und/oder Wärme.
Was für Schlussfolgerungen kann man aus dem Energieabstandsdiagramm ziehen?
Bindungsabstand
(Der Abstand zwischen Atomen, die eine Bindung eingegangen sind, ist nicht zufällig, sondern abhängig von den Energien.)
Was ist der Gleichgewichtsabstand?
r_0 ist der Gleichgewichtsabstand.
An diesem Punkt ist die anziehende Kraft (Bindungsenergie) gleich der abstoßenden Kraft (Pauli-Prinzip).
Daher befindet sich das Atom mit hoher Wahrscheinlichkeit hier, solange es keine weiteren äußeren Einflüsse gibt.
Wo befindet sich die Fermi-Dirac-Energie bei undotierten Halbleitern und warum?
In der Mitte zwischen Leitungsband und Valenzband
=> Verhältnis der Elektronen im Leitungsband und Löcher im Valenzband gleich
=> Ladungsneutralität
Wo liegt das Fermi-Niveau bei dotierenden Halbleitern bei tiefer Temperatur?
In der Nähe des Donator- oder Akzeptorniveaus
Was passiert bei steigender Temperatur mit dem Fermi-Niveau bei dotierten Halbleitern?
Das Fermi-Niveau bewegt sich Richtung Mitte
Von was hängt die Majoritätsladungsträger-Konzentration ab?
Von der Dotierung
Woraus stammen die Majoritätsladungsträger?
Aus der Fremdleitung (Dotierung)
Woraus stammen die Majoritätsladungsträger immer bei dotierten Halbleitern?
Aus der Fremdleitung oder Dotierung
Was passiert bei Übergängen von p- und n-dotierten Halbleitern und warum?
Es findet eine Ladungsträgerdiffusion statt
=> Wegen unterschiedlichen Ladungsträgerkonzentrationen
Wie entsteht ein elektrisches Feld bei der Ladungsträgerdiffusion?
Majoritätsladungsträger wandern durch die Grenzfläche weg
=> Ortsfeste Ladungsträger bleiben übrig und bilden ein elektrisches Feld
Was macht das elektrische Feld bei pn-Übergängen ohne äußeres elektrisches Feld?
Wirkt der Bewegung der Majoritätsladungsträger entgegen
Was passiert, wenn p- und n-dotierte Halbleiter sich berühren?
Das Valenzband und das Leitungsband verbiegen sich
=> Diffusionsspannung (UD) entsteht
Was ist das chemische Potenzial (µ) bei pn-Übergängen?
Es ist der energetische Unterschied zwischen dem Leitungsband auf der p-Seite im Vergleich zur n-Seite
Was ist der Diffusionsstrom bei pn-Übergängen?
Majoritätsladungsträger überwinden den Potenzialunterschied (UD)
(=> Fremdleitung )
Was ist der Driftstrom bei pn-Übergängen?
Minoritätsladungsträger fließen entgegen des Diffusionsstroms
Wie ist der Nettostrom von Driftstrom und Diffusionsstrom bei pn-Übergängen? (Ohne äußere Spannungsquelle)
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Was passiert bei pn-Übergängen in Durchlassrichtung und wie ist die Spannung angeschlossen?
Das Potenzial der n-Seite wird angehoben
=> Potenzialbarriere (UD - U) wird kleiner
=> Diffusionsstrom erhöht sich
p: + und n: -
Was passiert bei pn-Übergängen in Sperrrichtung und wie ist die Spannung angeschlossen?
Das Potenzial der n-Seite wird herabgesetzt
=> Potenzialbarriere (UD + U) wird größer
=> Diffusionsstrom nimmt stark ab
Wie verhält sich der Strom bei angelegter Spannung in Durchlass- und Sperrrichtung?
Durchlassrichtung: Fast exponentieller Anstieg
Sperrrichtung: Kleiner Sperrstrom bis zum Durchbruch (Kurzschluss)
Wie funktioniert eine LED bezogen auf den pn-Übergang?
In Durchlassrichtung fließen Elektronen durch den pn-Übergang und rekombinieren auf der anderen Seite
=> Elektronen fallen ins Valenzband und geben Energie in Form von Licht ab
Warum sind direkte Halbleiter besser für LEDs als indirekte?
Weil der Wirkungsgrad besser ist
Wie funktioniert eine Solarzelle bezogen auf den pn-Übergang?
Lichteinfall hebt Elektronen ins Leitungsband, Löcher bleiben im Valenzband beim pn-Übergang
=> Elektronen wandern zur n-Seite und
Löcher zur p-Seite
=> Abgreifbare Spannung durch verringerte Raumladung
Wie funktioniert das Czochralski-Verfahren?
Impfkristall in gewünschter Kristallorientierung wird in Siliziumschmelze (1420°C) getaucht
Wird währenddessen gedreht
Prozess unter Hochvakuum und unter Ar-Schutzgasatmosphäre
Erhaltener Si-Einkristall (sogenannter Si-Ingot): 2 m Länge, 300 mm Durchmesser, 265 kg schwer
Was sind die Vorteile von Czochralski-Verfahren?
Im Vergleich zum Zonenschmelzverfahren günstiger
Si-Ingots in Durchmessern bis zu 46 cm herstellbar
(Dotierung durch Zugabe von Dotierstoffen in Si-Schmelze)
Was sind die Nachteile von Czochralski-Verfahren?
Verunreinigungen mit Sauerstoff, Kohlenstoff oder Bor durch Tiegelmaterial
Für hochreinem, hochohmigem Si nicht geeignet
Ungleichmäßige Dotierung
Wie funktioniert das Zonenschmelzverfahren?
Einkristalliner Keimling wird mit aufgeschmolzenem polykristallinen Si in Kontakt gebracht
Induktionsspule schmilzt schmale Zone
Nach Verschieben der Induktionsspule wächst Si einkristallin am Keimling weiter
Dotierung durch Schutzgas möglich
Was sind die Vorteile von Zonenschmelzverfahren?
Kein Verunreinigungen über Tiegel
Hochreine und sehr hochohmige Si-Einkristalle herstellbar
Dotierung auch in niedrigen Konzentrationen sehr homogen verteilt
Was sind die Nachteile von Zonenschmelzverfahren?
Deutlich höhere Kosten als Czochralski-Verfahren
Maximale Kristalldurchmesser von 20 cm
Was sind die Grenzen von Czochralski- und Zonenschmelzverfahren?
GaAs:
Schwierigkeit: genauen Elementanteil von Ga und As zu halten
Niedrige und unterschiedliche Schmelzpunkte von Ga und As führen zum Verdampfen von Komponenten
Metastabile Materialien wie Diamant können nicht hergestellt werden
Wie wird die Dotierung bei Wafern gekennzeichnet?
Wafern bis 150 mm:
Grunddotierung und Kristallorientierung durch flats gekennzeichnet
(Flache Seite senkrecht zur Kristallrichtung)
Wafern über 150 mm:
Eine Kerbe (notch) zeigt nur die spezifizierte Kristallachse an
Nur kennzeichnung
Welche Verfahren gibt es zum Dotieren?
Dotierung während des Kristallwachstums
Legieren
Diffusion
Ionenimplantation
Kernreaktion (Neutroneneinfang)
Was sind die Hauptmerkmale der gasförmigen Diffusionsdotierung?
Hohe Temperaturen (800–1200°C) erforderlich
Dotierstoffe werden mit einem Trägergas wie N₂, Ar oder O₂ transportiert
Dotiergase sind leicht entzündlich und toxisch
Alternativen (flüssige oder feste Quellen) sind einfacher in der Handhabung
Wie funktionieren feste Dotierstoffquellen?
Als Scheibe zwischen den Si-Wafern => Dotierstoff dampft aus
=> funktioniert dann wie Dotiergas
Wie funktionieren flüssige Dotierstoffquellen?
Trägergas wird durch Flüssigkeit geleitet
Was ist der Hauptvorteil der Ionenimplantation gegenüber der Diffusionsdotierung?
Maximum der Dotierkonzentration liegt nicht an der Oberfläche, sondern in der Tiefe („vergraben“)
Verfahren ist extrem reproduzierbar
Ermöglicht präzise Einstellung der Schwellspannung bei MOSFETs
Wie funktioniert die Ionenimplantation bei Wafer?
Ionisierte Atome werden in einem elektrischen Feld beschleunigt und auf die Halbleiterwafer geschossen
Dotierstoffe kommen erst in einem Abstand zur Oberfläche zum Stillstand
Nachteil von Ionenimplantation?
Bildung von Gitterschäden (Leerstellen, Zwischengitteratome)
Temperaturbehandlung heilt diese Schäden
Wie funktioniert die Dotierung durch Neutroneneinfang?
Neutronen durchdringen den gesamten Si-Kristall und erzeugen eine homogene Dotierung
Das instabile 30Si-Isotop wird zu 31P umgewandelt
Eine thermische Nachbehandlung heilt entstandene Strahlenschäden aus
Wie kann beeinflusst werden, was Silizium bei GaAs ersetzt?
Durch die Si-Konzentration oder Temperatur
Welche Funktionen erfüllen Oxidschichten in der Halbleitertechnologie?
Maskierung (Schutz vor Prozessschritten)
Verhinderung der Ausdiffusion von Dotierstoffen
Passivierung (Korrosionsschutz)
Elektrische Isolierung zwischen Bauelementen
Bsp:.Gateoxid oder Feldoxid in MOS-FET-Strukturen
Was unterscheidet die Trockene von der Nassen Oxidation von Silizium?
Trockene Oxidation:
Direktes Einleiten von Sauerstoff, Wachstumsrate 20–100 nm/h, sehr festes Oxid (geeignet als Gateoxid).
Nasse Oxidation:
Einleiten von Sauerstoff und Wasser, Wachstumsrate 100–600 nm/h, schlechtere Oxidqualität (geeignet als Maskierschicht).
Woran kann die Oxidschichtdicke von einem Wafer bestimmt werden?
Durch die Farbe der Dünnschichtinterferenz
Was ist der Unterschied zwischen Gittertypen und Kristallsystemen
Bsp.
Kristallsystem: Kubisch
Gitterypen: Kfz,Krz
Wie sieht das Phasendiagramm bei nicht Mischbarkeit aus?
Wie sieht das binäres Phasendiagramm bei vollständiger Löslichkeit aus?
Was ist eine Phase?
Eine Phase ist ein räumlicher Bereich, in dem ein homogener Werkstoff mit gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften ist.
Wie können sich Phasen unterscheiden?
Physikalisch oder chemisch
Was ist ein Einphasensystem, und was sind die Unterschiede zwischen den Phasen?
Einphasensystem: Besteht nur aus einer Komponente
Unterschiede: Aggregatszustände, Kristallstrukturen
Was ist das Kriterium für einen stabilen Zustand oder eine stabile Phase?
(Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik)
Bei konstantem Druck oder konstanter Temperatur => minimale freie Enthalpie (Energie)
Was ist ein Tripelpunkt bei einem Phasendiagramm?
Drei Phasen existieren dort gleichzeitig.
Was ist ein kritischer Punkt im Phasendiagramm mit Aggregatszuständen?
Die Dichte von flüssiger und gasförmiger Phase ist gleich.
Warum sind Diamanten bei Normalbedingungen metastabil?
Weil sie sich sehr, sehr langsam zu Graphit umwandeln.
=>nicht passender Druck
Was ist ein Zweistoffsystem, und was sind wichtige Größen?
Besteht aus zwei Komponenten
Größen: Druck, Temperatur und Mischungsverhältnis
Welche Grundtypen gibt es bei Zweistoffsystemen?
Völlige Mischbarkeit in festem und flüssigem Zustand
Begrenzte Mischbarkeit im festen Zustand und völlige Mischbarkeit im flüssigen Zustand
(Fast) keine Mischbarkeit in festem und flüssigem Zustand
Was ist wichtig bei Phasendiagrammen im Zweistoffsystem?
X-Achse: Chemische Zusammensetzung
Y-Achse: Temperatur
Chemische Zusammensetzung kann in Massen%, Volumen% und Atom% angegeben werden
Umrechnen nötig
Was ist ein binäres isomorphes System?
Beide Komponenten können in allen Konzentrationen vollständig gemischt werden.
Was ist ein Substitutionsmischkristall?
Auf regelmäßigen Gitterplatz eingebaut
Treten meist bei vollständiger Mischbarkeit (isomorphes System) auf
Was ist ein Einlagerungsmischkristall?
Fremdatome besetzen Zwischengitterplätze
Beispiel: C in Fe (max. 2% C)
Wo liegt die Komode bei einem Phasendiagramm bei vollständiger Löslichkeit?
Waagrechte Linie
=> konstante Temperatur
Was ist bei der Soliduslinie?
Alles unterhalb ist fest.
Was ist bei der Liquiduslinie?
Alles oberhalb ist flüssig.
Was passiert wenn die Temperatur über 0K bei der Fermi-Dirac-Verteilung ist?
Ladungsträgerverteilung verschiebt sich symmetrisch
Was ist das Ziel bei der drive-in-Diffusion?
Menge des Diffusionsmaterials und Tiefe entkoppeln
Wie kann man eine einzelne feste Phase bezeichnen?
Mischkristall (MK) oder Kristall (K)
Wie kann man verschiedene feste Phasen bezeichnen?
α, β, etc.
Wie kann man eine einzelne flüssige Phase bezeichnen?
Schmelze (S) oder Liquid (L)
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