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Verfahren zur Herstellung von p-n-Übergängen in Halbleiterkörpern
durch Legieren Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines
p-n-Überganges in einem Halbleiterkörper durch Legieren, bei dem eine vorzugsweise
drahtförmige Elektrode, die Leitungstyp bestimmendes Dotierungsmaterial enthält,
mit einem Halbleiterkörper entgegengesetzten Leitungstyps durch Stromdurchgang verschweißt
wird, wobei aneinandergrenzende Teile von Elektrode und Halbleiterkörper schmelzen
und dann durch Abschalten des Stromes rekristallisieren.
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Es ist bekannt, einen Legierungsübergang dadurch herzustellen, daß
eine drahtförmige Elektrode, die Dotierungsmaterial enthält, mit einem Halbleiterkörper
entgegengesetzten Leitungstyps verschweißt wird, wobei Teile der Elektrode und des
Halbleiterkörpers schmelzen und dann nach Abschalten des Stromes aneinander kristallisieren.
Bei diesen bekannten Verfahren wird zum Verschweißen häufig nur ein- Stromimpuls
verwendet oder aber die Schweißspannung sofort nach Schmelzbeginn abgesenkt, so
daß p-n-Übergänge nicht genau definierter, meist für Halbleiterzwecke nicht optimaler
Eigenschaften von zumeist relativ kleiner Kontaktfläche entstehen.
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Es wurde weiterhin vorgeschlagen, p-n-Übergänge schrittweise - z.
B. durch eine Spitzen- oder Kleinstflächenelektrode mit der Kristalloberfläche verschweißende
elektrische Stromstöße - zu vergrößern. Dieses Verfahren führt jedoch weder zu Rekristallisationsschichten
der gewünschten Eigenschaften noch zu ebenen Übergängen, wie sie zumeist verlangt
werden.
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Beim Verfahren gemäß der Erfindung werden die Nachteile der bekannten
Verfahren vermieden, was zu einwandfreien p-n-Übergängen vorbestimmter Eigenschaften
führt.
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Gemäß der Erfindung wird hierfür der zeitliche Verlauf des Schweißstromes
so geregelt, daß nach dem Schmelzen der in Berührung gebrachten aneinandergrenzenden
Teile von Elektrode und Halbleiterkörper, vorzugsweise durch Konstanthalten des
Schweißstromes über eine bestimmte Zeit, annähernd Gleichgewicht in der Schmelze
hergestellt wird und schließlich durch Verminderung des Schweißstromes eine langsame
Rekristallisation erzielt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also ein geschmolzener Bereich,
der aus dem Halbleitermaterial und dem Dotierungsmetall besteht, erzeugt, der die
Gleichgewichtsbedingungen erreicht. Das Abkühlen dieses geschmolzenen Bereiches
wird dann durch Anwendung eines verminderten Schweißstromes verzögert, so daß das
Halbleitermaterial, das sich-in der Schmelze befand, als halbleitender, durch das
Metall des Elektrodendrahtes dotierter Bereich erstarrt, dessen Leitungstyp entgegengesetzt
dem des übrigen Halbleiterkörpers ist. Zwischen diesem Bereich entgegengesetzten
Leitungstyps und dem Halbleiterkörper entsteht ein wohldefinierter scharfer p-n-Übergang.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung verschiedener Arten hochwertiger
Dioden und Transistoren mit Legierungsübergängen verwendet werden.
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In den Figuren sind bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens beispielsweise dargestellt. Es zeigt Fig. 1 schematisch das Verfahren
gemäß der Erfindung zur Herstellung einer Flächendiode, Fig. 2 a als Beispiel ein
Diagramm für den Verlauf der Schweißstromstärke in Abhängigkeit von der Zeit bei
der Herstellung von p-n-Übergängen gemäß der Erfindung, Fig.2b im Diagramm entsprechend
der Fig.2a einen anderen möglichen zeitlichen Verlauf der Schweißstromstärke bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung, Fig. 3 schematisch zum Teil in perspektivischer
Ansicht die Herstellung eines Flächentransistors gemäß der Erfindung, Fig. 4 in
Draufsicht einen Ausschnitt aus der Anordnung der Fig. 3, der die Lage der Elektrodendrähte
wiedergibt und Fig. 5 einen Querschnitt durch den p-n-Übergang, der unter dem Elektrodendraht
bei Verwendung des
Verfahrens gemäß Fig. 2 a entsteht und der durch
Ätzen sichtbar gemacht ist.
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In Fig. 1 hat der Halbleiterkörper die Form eines dünnen Plättchens
10 aus n-Germanium von geeignetem Widerstand. Auf einer Seite ist der Halbleiterkörper
10 an einen verzinnten Kovar-Durchführungsdraht 11 angelötet. Ein Goldelektrodendraht
12 von 0,05 bis 0,08 mm Durchmesser und einem Galliumhalt von 1 % ist an einem zweiten
verzinnten Kovar-Durchführungsdraht 13 angelötet. Beide Durchführungsdrähte 11 und
13 werden durch eine Halterung 14 gestützt. Der Elektrodendraht 12 wird mit Hilfe
einer Pinzette 15 so gebogen, daß er sich in Kontakt mit der äußeren großen Fläche
10a des Germaniumplättchens gegenüber dem Lötkontakt mit dem Draht 11 befindet.
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Eine geeignete Gleichstromquelle 16 ist mit einer Vorrichtung zur
Stromregulierung verbunden, die im Beispiel der Fig. 1 ein Rheostat 17 ist. Der
einstellbare Kontakt 18 des Rheostaten ist mit dem Zuführungsdraht 13, die geerdete
Seite des Rheostaten mit dem Zuführungsdraht 11 verbunden. Durch Einstellung der
Lage des Kontaktes 18 kann die Strommenge des durch den Elektrodendraht 12 und das
Germaniumplättchen 10 gehenden Schweißstromes geregelt werden. Dieses kann von Hand
geschehen. Ebenso kann ein geeigneter zeitlich geregelter Stromkreis zur Bemessung
der Stärke des Schweißstromes vorgesehen sein, der nach einem vorbestimmten Programm
arbeitet.
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Bevor der Schweißstrom eingeschaltet wird, müssen der Elektrodendraht
12 und die Fläche 10 a des Germaniumplättchens 10 beide gründlich gereinigt werden,
beispielsweise durch Ätzen und Spülen.
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Der Elektrodendraht 12 wird dann in Kontakt mit der Fläche 10a des
Germaniumplättchens gebracht. Zu diesem Zweck kann die Pinzette 15 benutzt werden.
Die Pinzette 15 dient gleichzeitig zur Wärmeableitung, um damit die Menge des in
das Germaniumplättchen während der Verschweißung schmelzenden Elektrodendrahtes
zu begrenzen.
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In Fig. 2 a ist ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Stärke
des durch den Elektrodendraht 12 gemäß der Erfindung geschickten Schweißstromes
gezeigt. Der Schweißstrom steigt in etwa 2 bis 3 Sekunden von 0 auf etwa 0,8 A an.
Danach wird er in dieser Stärke über etwa 1 min konstant gehalten und anschließend
in etwa 3 min allmählich bis auf den Wert 0 gesenkt. Infolge der langen Dauer des
maximalen Schweißstromes schmelzen die einander angrenzenden Teile des Elektrodendrahtes
12 und des Halbleiterkörpers 10, wobei das mit Gallium dotierte Gold des Elektrodendrahtes
und das Germanium des Halbleiterkörpers miteinander in Lösung gehen. Die Zeitdauer
des maximalen Schweißstromes ist ausreichend, um ein Gleichgewicht und damit eine
Gleichförmigkeit der Zusammensetzung in einer geschmolzenen Germanium-Gold-Gallium-Zone
unter dem Elektrodendraht herzustellen.
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Das Eutektikum von Gold-Gallium und Germanium schmilzt bei etwa 356°
C und enthält etwa 12% Germanium. Wenn die Temperatur an der Berührungsstelle zwischen
dem Elektrodendraht 12 und dem Germaniumkörper 10 infolge des Stromflusses auf 360°
C oder wenig darüber gestiegen ist, schmelzen geringe Mengen des Gold-Galliums und
des Germaniums. Bei weiterem Stromdurchgang löst sich mehr Germanium und galliumdotiertes
Gold in der Schmelze, bis eine dieser Komponenten nicht mehr zur Verfügung steht.
Die Geschwindigkeit, mit der der Schmelzprozeß stattfindet, hängt nicht nur von
der Wärmezufuhr durch den Schweißstrom ab, sondern auch von den Diffusionsgeschwindigkeiten
des galliumdotierten Goldes und des Germaniums durch die Schmelze. In dem beschriebenen
Fall bestimmt das Gold-Gallium die Schmelzgeschwindigkeit, weil, wenn die geschmolzene
Zone an Größe zunimmt, die Fläche der Grenzschicht Schmelze- Germanium zunimmt und
so die zur Verfügung stehende Germaniummenge vergrößert, während die Grenzschicht
zwischen der Schmelze und dem festen Gold-Gallium-Draht lediglich an dem Draht hinaufwandert,
aber an Fläche nicht zunimmt.
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Wird der Gold-Gallium-Draht durch die Pinzette, die als Wärmeabfuhr
dient, gehalten, so wird die für die Schmelze zur Verfügung stehende Menge von Gold-Gallium
beschränkt, weil die Schmelze nicht in Bereiche vordringen kann, in denen die Temperatur
unterhalb 350° C liegt. Bei einer praktischen Ausführungsform wird der Elektrodendraht
von der Pinzette in etwa 8 mm Entfernung von dem Kontaktende gefaßt. Dadurch, daß
auf diese Weise die zur Verfügung stehende Menge galliumdotierten Goldes beschränkt
wird, sind die Abmessungen des Überganges zwischen dem Elektrodendraht und dem Germaniumplättchen
in bestimmter Weise beschränkt.
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Bei diesem Verfahren wird durch den maximalen Schweißstrom eine Temperatur
von 400 bis 450° C im Kontaktbereich erreicht, während die zur Verfügung stehende
Menge Gold-Gallium, die in die Schmelze geht, wie beschrieben, beschränkt ist. Dieses
führt zu einer Schmelze, die etwas mehr als 120/a Germanium im eutektischen Bereich
enthält. Während die erreichte Temperatur durch den maximalen Schweißstrom aufrechterhalten
wird, diffundiert ausreichend viel Germanium in die Schmelze, so daß bei Abkühlung
der Schmelze eine entsprechende rekristallisierte p-Germaniumschicht entsteht. Die
Abkühlung muß allmählich erfolgen, so daß das Germanium in der Schmelze weniger
in ihr Kerne bildet und rekristallisiert als zu dem Mutterkristall zurückdiffundiert.
Ein wichtiges Merkmal des erfindunggemäßen Verfahrens ist die verzögerte Abkühlung
der Schmelze durch Anwendung eines verminderten Stromes durch die Schmelze. Wie
in Fig. 2 a gezeigt, kann dieses durch allmähliche Reduzierung des angewendeten
Schweißstromes von einem maximalen Wert bis auf 0 geschehen. Infolge des langsamen
Abkühlens der Schmelze wird, während die Schmelze abkühlt, das ungeschmolzene Germanium
um die Schmelze herum getempert. Dieses ist wesentlich für die Herstellung eines
scharfen und gut definierten p-n-Überganges. Würde die Schmelze zu schnell abgekühlt,
so würde ein großer Teil des angrenzenden ungeschmolzenen n-Germaniums infolge thermischer
Konversion zum p-Typ konvertiert werden, und es würde keine gut definierte Übergangsschicht
erhalten werden.
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Das Germanium in der Schmelze rekristallisiert auf dem restlichen
n-Germaniumplättchen. Es ist nicht genau bekannt, wann diese Rekristallisation einsetzt,
jedoch wahrscheinlich, daß dieses nicht geschieht, solange der Verbindungsstrom
noch seinen maximalen Wert hat. Das rekristallisierte Germanium ist mit Gold und
Germanium dotiert und daher p-leitend. Die halbleitende rekristallisierte p-Germaniumschicht
ist etwa 0,025 mm dick und stellt zusammen mit dem angrenzenden n-Germanium des
Hauptteiles des halbleitenden Plättchens 10 einen gut definierten gleichrichtenden
Übergang dar.
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Die langsame Abkühlung infolge der Verminderung des Schweißstroms
führt auch zu einer Temperung des durch Germanium angereicherten Gold-Gallium-
Drahtes.
Die sich hierdurch ergebende Verbesserung der mechanischen Stärke der Verbindung
zwischen dem Elektrodendraht und dem Germaniumplättchen ist selbstverständlich sehr
erwünscht.
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Fig.5 zeigt den durch das beschriebene Verfahren hergestellten Übergang.
Diese Figur entspricht dem photomikrographischen Bild eines Querschnittes durch
eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbindung, die durch Ätzverfahren
sichtbar gemacht wurde. Das ursprüngliche, nicht in die Schmelze gegangene n-Germanium
ist mit 10 b bezeichnet. Die rekristallisierte p-Germaniumschicht ist mit 10c gekennzeichnet.
Zwischen diesen beiden Germaniumbereichen entgegengesetzten Leitungstyps wird ein
gleichrichtender Übergang 19 gebildet. Der an Germanium angereicherte Teil des geschmolzen
gewesenen Elektrodendrahtes ist mit 12a bezeichnet.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Halbleiter-p-n-Übergänge
haben Sperrwiderstände von der Größenordnung M 62 bei Sperrspannungen von 100 V
und mehr. Nach diesem Verfahren hergestellte Dioden haben Flußströme von mehr als
350 mA bei 1 V.
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Ist eine flachere Verbindung erwünscht, insbesondere wenn das Germaniumplättchen
extrem dünn ist, dann kann das Verfahren insgesamt in wesentlich kürzerer Zeit durchgeführt
werden. Beispielsweise wird bei einem Germaniumplättchen von 0,051 mm Dicke und
einem Golddraht mit 1 °/a Gallium von 0,051 mm Durchmesser der Schweißstrom so bemessen,
wie in Fig.2b gezeigt. Der Strom wird praktisch sofort auf 1,3 A gebracht, auf diesem
Wert 1/2 Sekunde gehalten, abrupt auf 0,3 A gesenkt und auf diesem Wert 21/2 Sekunden
gehalten. Auch hierbei entsteht ein gut definierter Übergang mit ausgezeichneter
Diodencharakteristik.
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Zur Herstellung eines Transistors nach dem erfindungsgmäßen Verfahren
(Fig. 3 und 4) ist ein Germaniumplättchen 20 von 5,1 - 0,51 # 0,15 mm vorgesehen.
Die Hauptflächen 20 a und 20 b des Plättchens verlaufen entlang einer [1,1,1]-Ebene,
die für Germanium eine Ebene langsamen Schmelzens ist. Bei der praktischen Durchführung
stellen die durch die Elektrodendrähte auf solchen Flächen hergestellten Verbindungen
sehr oft Übergänge dar, deren Innenflächen so gut wie eben und im wesentlichen parallel
zu den Flächen des Halbleiterkörpers liegen, die von dem Elektrodendraht berührt
werden, wie in Fig. 5 gezeigt. Ein Paar Kovar-Durchführungsdrähte 21 und 22 ist
an beiden Enden des Germaniumplättchens 20 angelötet., Diese Durchführungsdrähte
werden von der Halterung 23 gestützt. Da die Lötverbindung während des Schweißverfahrens
schmilzt, hat es sich nämlich als nützlich erwiesen, zwei Basiselektrodenanschlüsse
vorzusehen, um eine ausreichende mechanische Halterung während des Verfahrens zu
gewährleisten. Ein weiteres Paar von Kovar-Durchführungsdrähten 24 und 25 befindet
sich ebenfalls in der Halterung 23. Die golddotierten Elektrodendrähte 26 und 27
sind identisch denen bereits für die Diode beschriebenen. Sie werden gereinigt,
und je eine von ihnen an einem Ende je eines der Zuführungsdrähte 24 und 25 angelötet.
Die entgegengesetzten Enden dieser Elektrodendrähte werden in Kontakt mit den Hauptflächen
20 b bzw. 20a des Germaniumplättchens 20 gebracht. Nickeldrähte 28 und 29, die je
etwa 0,38 mm Durchmesser haben und 3,2 mm lang sind, werden jeweils an die Elektrodendrähte
26 und 27 in etwa 0,76 mm Entfernung von dem Germaniumplättchen an die Elektrodendrähte
angelötet. Eine erste Gleichstromquelle 30 ist über eine geeignete Stromreguliervorrichtung,
hier als Rheostat 31 mit einstellbarem Kontakt 32 gezeigt, mit dem Durchführungsdraht
25 verbunden. Der geerdete Ausgang der Stromquelle 30 ist mit beiden Zuführungsdrähte
21 und 22 verbunden.
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In gleicher Weise ist eine Gleichstromquelle 34 mit einem Rheostaten
35 mit einstellbarem Kontakt 36 mit dem Durchführungsdraht 24 verbunden und der
geerdete Ausgang 37 dieser Stromquelle mit beiden Zuführungsdrähten 21 und 22.
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Die Elektrodendrähte 26 und 27 werden in Kontakt mit den Hauptflächen
20 b bzw. 20 a des Germaniumplättchens 20 genau einander gegenüber und in der Mitte
zwischen den Lötverbindungen des Germaniumplättchens zu den Durchführungsdrähten
21 und 22 gehalten. Dieses geschieht mittels einer ersten Pinzette 38, die das Nickelstück
28 hält, und einer zweiten Pinzette 39, die in gleicher Weise das Nickelstück 29
greift. Die Nickeldrähte 28 und 29 dienen als Wärmeableitungen, durch die die Menge
des während des Schweißverfahrens schmelzenden Elektrodendrahtes 26 bzw. 27 beschränkt
wird, so daß die Größe jedes p-n-Überganges in vorher festgelegter Weise kontrolliert
wird. Während des Verbindens wird durch die beiden Elektroden 26 und 27 gleichzeitig
Strom geschickt.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden
beide Schweißströme gleichzeitig in derselben Weise geregelt, wie in Fig. 2 a gezeigt,
mit der Ausnahme, daß der Strom zu jeder Verbindung nur den halben Wert des in Fig.
2 a gezeigten Stromes hat.
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Der Strom fließt in jede zu bildende Verbindung und breitet sich dann
nach außen innerhalb des Gerrnaniumplättchens 20 zu den beiden Basiselektroden 21
und 22 hin aus. Da die Elektrodendrähte das Germaniumplättchen direkt einander gegenüber
berühren, gibt es in dem Halbleiterplättchen zwischen diesen beiden Elektrodenkontakten
einen Punkt, in dem die Stromdichte 0 ist. Maximale Stromdichte wird in einem ringförmigen
Raum um die Symmetrieachse jeder Verbindung herrschen, so daß die Ausbildung von
großflächigen Übergängen mit praktisch ebenen inneren Flächen innerhalb des Germaniumplättchens,
welche im wesentlichen parallel zu den Hauptflächen 20 a und 20 b des Plättchens
liegen, begünstigt wird. Sind die benachbarten ebenen Teile der Übergänge in geringer
Entfernung voneinander und im wesentlichen parallel zueinander, so werden außerordentlich
günstige Werte für die Stromverstärkung und die Frequenzeigenschaften erhalten.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung, gleichgültig, ob zur Herstellung
von Dioden oder von Transistoren, wird der- Schweißstrom zeitlich so bemessen, daß
sich in der Schmelze Gleichgewichtsbedingungen einstellen und danach die Schmelze
verzögert abgekühlt wird. Aus den in den Fig. 2 a und 2 b angeführten Beispielen
geht hervor, daß es viele Variationen für die zeitliche Bemessung des Stromzyklus
gibt, welche im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendet werden können.
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Durch eine derartige Bemessung des Stromes ist die Leistungszufuhr
zu der Verbindung während des Schweißverfahrens in gleicher Weise festgelegt. Auf
diese Weise hält während des Schmelzverfahrens der praktisch konstante maximale
Strom praktisch konstante Leistungszuführung in die Verbindung aufrecht, so daß
in der Schmelze ein Gleichgewicht entsteht. Anschließend wird durch den reduzierten
Strom die
Leistungszufuhr, welche die Kühlung verzögert, ebenfalls
verzögert, und die Rekristallisation findet in der gewünschten Weise statt.
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Der zeitliche Verlauf der Temperatur in der Verbindung bestimmt das
Schmelzen und die anschließende Rekristallisation. Dieser Temperaturverlauf hängt
von der Leistungszufuhr ab, die ihrerseits von der Stromzufuhr in dem jeweiligen
Augenblick abhängig ist. Die Leistungszufuhr kann gemäß der Erfindung, jedoch auch
in anderer Weise als durch Regelung der Stromstärke geregelt werden, obgleich eine
Regelung der Stromstärke als der bequemste Weg zur Erzielung der gewünschten Ergebnisse
erscheint.
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In einigen Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Elektrodendraht
an den Halbleiterkörper mittels eines sehr kurzen (z. B. 1 msec langen) Stromimpulses
großer Amplitude anzuschmelzen, bevor das eigentliche Verbindungsverfahren durchgeführt
wird.
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Weitere Modifikationen des beschriebenen Verfahrens gemäß der Erfindung
sind möglich. Beispielsweise kann an Stelle des galliumdotierten Golddrahtes ein
aluminiumdotierter Golddraht benutzt werden. Ebenso kann das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung von Flächenhalbleiteranordnungen aus Silizium oder anderem halbleitendem
Material angewendet werden.