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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterchip mit einer Schutzstruktur,
mit der ein Ausspionieren der integrierten Schaltung verhindert
werden soll. Insbesondere betrifft diese Erfindung die Erweiterung
der Versiegelung von Smart-Card-Prozessoren.
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Bei
der Verwendung von Halbleiterchips in sicherheitsrelevanten Bereichen,
insbesondere für Smart-Cards,
ist es erforderlich, dass der Chip gegen ein Ausspionieren der Schaltung
geschützt
ist. Dafür gibt
es eine Reihe von Vorschlägen,
die darin bestehen, eine mit einer Schaltung versehene Oberseite des
Halbleiterchips irgendwie abzudecken und gegebenenfalls ein Entfernen
dieser Abdeckung durch die Schaltung zu detektieren. Damit kann
erkannt werden, ob die Schaltung als solche unversehrt ist, nicht jedoch,
ob ein den Halbleiterchip umgebendes Gehäuse beschädigt oder entfernt wurde.
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Schutzschichten
auf dem Halbleiterchip können
auf relativ einfache Weise reproduziert werden oder deren Vorhandensein
mit elektronischen Mitteln vorgetäuscht werden. Nachdem das Gehäuse des Halbleiterchips
entfernt wurde, insbesondere eine den Halbleiterchip einschließende Vergussmasse entfernt
wurde, ist die integrierte Schaltung auch von der Rückseite
des Halbleiterchips zugänglich,
und zwar durch den Halbleiterkörper
bzw. das Substrat. Dagegen schützt
keine auf der Vorderseite des Chips aufgebrachte Schutzschicht.
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In
der
DE 100 03 112
C1 ist ein Halbleiterchip mit einer Abschirmanordnung beschrieben,
bei der auf jeder Hauptseite je eine elektrische Abschirmanordnung
vorhanden ist und diese Abschirmanordnungen über Durchkontaktierungen durch
das Substrat hindurch elektrischleitend miteinander verbunden sind.
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In
der WP 98/18102 A1 ist eine Anordnung zum Schutz von Chipmodulen
beschrieben, bei der eine Ummantelung vorhanden ist, deren physikalische
Eigenschaften durch geeignete Signalgeber und Messstellen kontrolliert
wird, um so die Unversehrtheit des Bauelementes überprüfen zu können. Zwischen Signalgebern
und Messstellen können elektrische
Leiter in der Ummantelung angeordnet sein.
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In
der
DE 199 40 759
A1 ist eine vertikal integrierte Schaltungsanordnung beschrieben,
bei der Metallschichten vorhanden sind, die die Abstrahlung elektromagnetischer
Felder der Schaltungsanordnung nach außen verhindern.
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In
der
DE 196 39 033
C1 ist ein Analysierschutz für einen Halbleiterchip beschrieben,
der durch eine Abdeckung mit einem resonanzfähigen Schwingkreis aus einer
Leiterbahnspule gebildet ist.
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In
der
DE 199 37 262
A1 ist eine Anordnung mit Transistor-Funktion beschrieben, bei dem eine auf
einem Substrat angeordnete Gate-Elektrode oberseitig mit einem Gate-Dielektrikum
und einer organischen Halbleiterschicht als Kanalbereich versehen
ist, die Source- und Drain-Elektroden aus leitfähigem Polymer aufweist.
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Die
DE 696 06 942 T2 beschreibt
die Verwendung präkeramischer
Polymere als Klebstoff für elektronische
Bauelemente.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiterchip mit einem
wirkungsvollen Schutz gegen ein Ausspionieren der Schaltung anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Halbleiterchip mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bei
dem Halbleiterchip ist auf einer ersten Hauptseite, die die integrierte
Schaltung aufweist, oberseitig ein elektrischer Leiter angebracht,
der mit dieser Schaltung verbunden ist. Ein weiterer elektrischer
Leiter ist auf der Rückseite
vorhanden, d. h. auf der der ersten Hauptseite gegenüberliegenden
zweiten Hauptseite des Halbleiterchips. An einer Seite des Halbleiterchips
befindet sich zumindest eine elektrisch leitende Verbindung, die
den Leiter auf der Oberseite mit dem weiteren Leiter auf der Rückseite elektrisch
leitend verbindet. Die integrierte Schaltung ist dafür vorgesehen,
eine Veränderung
oder Unterbrechung der damit verbundenen elektrischen Leiter festzustellen.
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Damit
ist es möglich,
festzustellen, ob der Halbleiterchip von der Rückseite her manipuliert, insbesondere
beschädigt,
wird. Wenn der Halbleiterchip von der Rückseite her bearbeitet wird
oder wenn der Halbleiterchip aus seinem Gehäuse entfernt wird, ändern sich
die Eigenschaften der an die elektronische Schaltung angeschlossenen
Leiter auf den beiden Hauptseiten. Diese Veränderung kann mit der integrierten
Schaltung festgestellt werden, so dass auf eine unzulässige Manipulation
des Halbleiterchips rückgeschlossen
werden kann. Es können
dann eventuell geeignete Gegenmaßnahmen vorgesehen werden.
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Die
weiteren elektrischen Leiter können
Bestandteile des Gehäuses
des Halbleiterchips sein; sie brauchen daher nicht bereits bei der
Herstellung des Halbleiterchips angebracht zu werden. Die elektrischen
Leiter auf der Oberseite der ersten Hauptseite des Halbleiterchips
können
zu den Verdrahtungsebenen der integrierten Schaltung gehören. Statt
dessen können
diese Leiter auch separat aufgebrachte weitere elektrische Leiter
sein, z. B. ein organischer Halbleiter, der beispielsweise ein Polymer
umfasst. Wesentlich ist dabei nur, dass diese externen Leiter so
mit der integrierten Schaltung elektrisch leitend verbunden sind,
dass die Schaltung in der Lage ist, eine Veränderung dieser Leiter festzustellen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, diese Leiter mit weiteren Leitern
des Gehäuses
zu verbinden; die insgesamt von der integrierten Schaltung überprüfte Leiterstruktur
kann daher sehr allgemein und sehr umfassend sein.
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Es
folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Halbleiterchips
an Hand der 1 bis 10.
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Die 1 zeigt
einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
des Halbleiterchips.
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Die 2 zeigt
einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
eines gehäusten
Halbleiterchips.
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Die 3 zeigt
eine seitliche Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips.
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In
den 4 bis 10 sind weitere Transistorstrukturen
im Schema dargestellt.
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In
der 1 ist ein Halbleiterchip im Querschnitt dargestellt.
Auf dessen erster Hauptseite 1, die eine integrierte Schaltung
IC aufweist, ist ein elektrischer Leiter 2 oberseitig angeordnet.
Dieser elektrische Leiter 2 kann z. B. eine oberste Metallisierungsebene
der Verdrahtung der integrierten Schaltung sein. Der Leiter 2 kann
in einer an sich beliebigen Weise zu Leiterbahnen, Anschlusskontakten
und dergleichen strukturiert sein. Auf der gegenüberliegenden zweiten Hauptseite 4 ist
ein weiterer elektrischer Leiter 3 angebracht, der bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Einfachheit halber keine nähere
Strukturierung aufweist. Der weitere Leiter 3 kann eine
bereits auf dem Wafer, aus dem die Halbleiterchips hergestellt werden,
aufgebrachte weitere Schicht sein; oder es handelt sich bei diesem
weiteren Leiter um eine erst nachträglich aufgebrachte leitende
Schicht, z. B. um einen Bestandteil eines Halbleiterchipgehäuses oder
auch eine elektrisch leitfähige
Klebstoffschicht, mit der der Halbleiterchip auf einem Träger befestigt
ist.
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Bei
dem Halbleiterchip sind die seitlich an dem Halbleiterkörper oder
Substrat 6 angeordneten elektrisch leitenden Verbindungen 5 vorgesehen,
mit denen die Leiter 2 und die weiteren Leiter 3 miteinander
verbunden sind. Diese leitenden Verbindungen 5 können einzelne
Leiterstreifen sein oder auch eine den seitlichen Rand des Halbleiterchips
rings umgebende Beschichtung mit einem elektrisch leitenden Material.
Mit der dargestellten Ausgestaltung ergibt sich somit eine elektrisch
leitende Verbindung zwischen der integrierten Schaltung IC und einer
bis auf die Rückseite
des Halbleiterchips reichenden Leiterstruktur. Es ist daher nicht
mehr möglich,
den Halbleiterchip von einer beliebigen Seite her anzugreifen, um
die darin integrierte Schaltung auszuforschen, ohne dass die umgebende
Leiterstruktur derart verändert
oder unterbrochen wird, dass dies von der integrierten Schaltung
ohne weiteres detektiert werden kann. Diese Detektion geschieht
in an sich bekannter Weise, indem festgestellt wird, ob die durch
die Leiter gebildeten Widerstände,
Kapazitäten
oder Induktivitäten
geändert
werden. Die Leiterstruktur kann auch zusätzlich noch elektrische Leiter
des Gehäuses
umfassen, die ebenfalls über
die externen Leiter mit der integrierten Schaltung verbunden sind.
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In
der 2 ist ein Gehäusehalbleiterchip dargestellt,
bei dem der in der 1 dargestellte Halbleiterchip
auf einem Träger 10 angebracht
und in einer mit der gestrichelten Linie angedeuteten Vergussmasse
verkapselt ist. Die Komponenten des Halbleiterchips gemäß 2 entsprechen
denen der 1 und sind mit denselben Bezugszeichen
versehen. Der weitere elektrische Leiter 3 ist bei der
Ausgestaltung gemäß 2 ein
elektrisch leitfähiger Klebstoff,
mit dem der Halbleiterchip auf dem Träger 10 angebracht
ist. Wenn der Träger 10 ebenfalls elektrisch
leitend ist, z. B. ein Gehäuserahmen
(lead frame), ist dieser Träger
in die Leiterstruktur einbezogen, deren Veränderung von der integrierten
Schaltung detektiert werden kann. Bei der Ausgestaltung gemäß 2 kann
daher bereits festgestellt werden, wenn der Halbleiterchip aus diesem
Gehäuse
entnommen wird. Es ist hier prinzipiell nicht mehr möglich, den
Träger 10 zu
entfernen, ohne dass sich die elektrischen Eigenschaften der an
die elektronische Schaltung angeschlossenen externen Leiter wesentlich
verändern.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Halbleiterchips erhält
man, wenn der elektrische Leiter 2 auf der Oberseite der
ersten Hauptseite 1 eine ohnehin eigens zum Schutz des
Halbleiterchips gegen Ausspionieren vorgesehene Schicht aus einem organischen
Halbleiter, insbesondere aus einem Polymer, ist. Im Folgenden wird
eine solche Schicht der Einfachheit halber als Polymerschicht bezeichnet. Organische
Halbleiter sind im Normalzustand Isolatoren. Eine Stromleitung erfolgt
nur dann, wenn das organische Material dotiert wird oder wenn es
in einer Umgebung angebracht ist, in der ein Feldeffekt erzeugt
wird. Es lassen sich daher mit einem solchen Material Strukturen
entsprechend einem Feldeffekttransistor realisieren. p-n-Übergänge sind
dagegen kaum realisierbar, da die Dotierungen diffundieren. Nichtlinearitäten können aber
auch durch Schottky-Barrieren erzeugt werden, die sich bei einem
Metall-Halbleiter-Übergang
ausbilden.
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Bei
dem Halbleiterchip wird vorzugsweise eine leitfähig dotierte Polymerschicht
mit elektrisch leitenden Teilen des Gehäuses verbunden und damit bestimmte
elektrische Messwerte der Polymerschicht eingestellt. Ein Ausbau
des Halbleiterchips aus dem Gehäuse
kann durch Überprüfen der
Messwerte erkannt werden. Wenn der elektrische Leiter 2 auf
der Oberseite des Halbleiterchips eine Polymerschicht ist, sind
der weitere Leiter 3 auf der Rückseite und die seitlich auf
den Halbleiterchip aufgebrachten Verbindungen 5 vorzugsweise
ebenfalls Polymerschichten, die mit der ersten Polymerschicht elektrisch
leitend verbunden sind. Auf zusätzliche,
aufwendig herzustellende vertikale Durchkontaktierungen durch den
Körper
des Halbleiterchips hindurch kann verzichtet werden. Die rückseitige
Polymerschicht ist beispielsweise elektrisch leitend dotiert.
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Bei
dem in der 3 in einer seitlichen Aufsicht
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die rückseitige
Polymerschicht 8 ein Bestandteil einer Transistorstruktur.
Als Gate-Elektrode
fungiert das Substrat 6, das auf der rückseitigen zweiten Hauptseite 4 mit
einer Oxidschicht als Gate-Dielektrikum 7 versehen ist
und so von der aufgebrachten Polymerschicht 8 elektrisch
isoliert ist. Die Grenzschicht zwischen dem Gate-Dielektrikum 7 und
der Polymerschicht 8 bildet den Kanal aus. Es sind ferner
ein Source-Kontakt 3a sowie ein Drain-Kontakt 3b vorhanden,
die mit jeweiligen elektrischen Anschlussstellen an den Chip, die
durch Anteile 2a bzw. 2b eines auf der ersten
Hauptseite vorgesehenen Leiters gebildet sind, über die seitlich angeordneten
elektrisch leitenden Verbindungen 5 verbunden sind. Seitliche
Isolationen 7a können
für eine
ausreichende elektrische Isolation des Substrates 6 von
den leitenden Verbindungen 5 vorgesehen sein. Die leitenden
Verbindungen 5 können
durch leitend dotierte Polymerschichten, aber auch durch Metallschichten,
Metallpasten oder dergleichen gebildet sein.
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In
den 4, 5 und 6 sind weitere Transistorstrukturen
im Schema dargestellt, die die Transistorstruktur der 3 ersetzen
können
und so weitere Ausführungsbeispiele
liefern. Die Gate-Elektrode 9 kann durch das Substrat 6 gebildet
sein oder gesondert darauf aufgebracht und strukturiert sein. Die
Schicht des Gate-Dielektrikums 7 trennt die Gate-Elektrode 9 jeweils
von der Polymerschicht 8. Seitlich zu der Gate-Elektrode
oder einem als Gate-Elektrode fungierenden Anteil des Substrates sind
die für
Source und Drain vorgesehenen Kontakte 3a und 3b in
Kontakt mit der Polymerschicht 8 aufgebracht.
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In
den Beispielen der 4 und 6 ist die Polymerschicht
wie in dem Beispiel der 3 die äußere Schicht des Bauelementes.
Eine solche Schicht kann auch durch einen organischen Klebstoff
gebildet sein, der dazu benutzt wird, den Chip auf einen Träger, zum
Beispiel in ein Chipkartengehäuse,
einzukleben. In dem Beispiel der 5 ist zuerst
das organische Material aufgebracht und anschließend das Material der Source-
und Drain-Kontakte 3a, 3b, das auch hier Metall
oder leitend dotiertes organisches Material sein kann.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 7 ist der auf der Oberseite der ersten Hauptseite
aufgebrachte Leiter in drei Anteile 2a, 2b und 2c strukturiert.
Die elektrisch leitenden Verbindungen 5, 51 verbinden diese
Anteile des auf der ersten Hauptseite vorgesehenen Leiters 2a, 2b, 2c jeweils
mit der Gate-Elektrode 9, dem Source-Kontakt 3a bzw.
dem Drain-Kontakt 3b auf der zweiten Hauptseite. Die elektrisch
leitenden Verbindungen 5, 51 sind in diesem Beispiel streifenförmig, wie
an der zu der Gate-Elektrode 9 geführten Verbindung 51 erkennbar
ist. An dieser zweiten Hauptseite des Halbleiterchips ist die Polymerschicht 8 aufgebracht,
die von der Gate-Elektrode 9 durch
ein als weitere Schicht aufgebrachtes Gate-Dielektrikum 7 getrennt ist
und an den Seiten den Source-Kontakt 3a und
den Drain-Kontakt 3b trägt.
Die Gate-Elektrode, der Source-Kontakt und der Drain-Kontakt können hier
vorzugsweise auch durch eine leitend dotierte weitere Polymerschicht gebildet
sein.
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In
den 8, 9 und 10 sind
weitere Transistorstrukturen im Schema dargestellt, die die Transistorstruktur
der 7 ersetzen können
und so weitere Ausführungsbeispiele
liefern. Die Bezugszeichen entsprechen den Komponenten der vorhergehenden
Beispiele; die Gate-Elektrode 9 ist hier jeweils als äußere Elektrode
aufgebracht, nachdem die Polymerschicht 8 und das Gate-Dielektrikum 7 auf der
zweiten Hauptseite des Halbleiterchips hergestellt sind.
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Bei
der Verwendung organischer Halbleiter auf dem Halbleiterchip können auch
die Übergangsschichten
zwischen dem Halbleitermaterial des Halbleiterchips und diesem organischen
Halbleitermaterial ausgewertet werden. Je nach der Höhe der Fermi-Niveaus
bildet sich eine Schottky-Barriere aus, unabhängig davon, ob das Substrat
des Halbleiterchips beziehungsweise das aufgebrachte organische Halbleitermaterial
n-leitend, p-leitend
oder gar nicht dotiert ist. Eine charakteristische Strom-Spannungs-Kennlinie
für die
Schottky-Barriere ist materialspezifisch und kann als Sicherheitsmerkmal
in der Schaltung ausgewertet werden. Ein Entfernen des organischen
Halbleitermaterials wird in der Schaltung festgestellt.
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Wenn
der weitere Leiter 3 ein organisches Halbleitermaterial
ist, kann auch darin eine separate integrierte Schaltung ausgebildet
sein. Damit ergeben sich weitere Kontrollmöglichkeiten, die die Schutzfunktion
weiter verbessern. Das organische Halbleitermaterial kann auch einem
Polymer zugesetzt sein, das als Vergussmasse Bestandteil des Gehäuses ist.
Beispielsweise kann PDOT/PSS der Vergussmasse in einer Konzentration
zugesetzt sein, die gerade ausreicht, um ein Entfernen der Vergussmasse
mit der integrierten Schaltung feststellen zu können.
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Dieses
Material ist bei einer bevorzugten Ausführungsform in einer dünnen Schicht
auf der ersten Hauptseite des Halbleiterchips aufgebracht. Dabei
ist eine Schichtdicke unterhalb 100 nm ausreichend. Darauf wird
die eigentliche Vergussmasse in dicker Schicht (typisch 500 μm) aufgebracht.
Ein potenzieller Angreifer kann die beiden Schichten, die das Gehäuse bilden,
nicht unterscheiden und zerstört
beim Ablösen
der Vergussmasse auch die dünne
halbleitende Schicht aus demselben Material. Damit ist das Sicherheitsmerkmal
entfernt, was durch die integrierte Schaltung festgestellt werden
kann.
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Viele
organische Halbleitermaterialien (insbesondere n-leitend dotierte
Halbleitermaterialien) verändern
sich an der Luft (Einwirkung von Sauerstoff oder Wasserdampf). Eine
Polymerschicht wird daher vorzugsweise in einer Inert-Atmosphäre (z. B. Stickstoff)
aufgebracht und anschließend
sofort verkapselt. Eine derartige Anordnung zerstört sich
beim Öffnen
an der Luft von selbst oder verändert
zumindest die oben erwähnte
Kennlinie in einer durch die integrierte Schaltung deutlich erkennbaren
Weise. Es gibt auch Halbleiter, die sich erst während des Betriebs der Schaltung
in Luft verändern,
vorher jedoch keine erkennbaren Veränderungen zeigen. Besonders
vorteilhaft in diesem Sinne ist eine n-leitend dotierte Polymerschicht
in Verbindung mit einem p-leitenden Siliziumsubstrat als Halbleiterkörper des Chips.
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Einige
der p-n-Grenzflächen
zeigen Elektrolumineszenz. Da Silizium für Strahlung im Infrarotbereich
durchlässig
ist, kann das Auftreten der Lumineszenz in der Schaltung ausgewertet
werden, ohne dass Wellenleiter, die erkennbar wären, vorgesehen sein müssen.
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Als
organische Halbleiter kommen beispielsweise in Frage: Polyacetylen,
Polyanilin, Polyene (wie Anthrazen, Tetrazen oder Pentazen), Polythiophene
oder Oligothiophene sowie deren substituierte Abkömmlinge,
Polypyrrole, Poly-p-phenylene, Poly-p-phenylvinylidene, Naphthalindicarbonsäuredianhydride,
Naphthalinbisimide, Polynaphthaline, Phthalocycanine, Kupfer-Phthalocycanine oder Zink-Phthalocycanine
sowie deren substituierte, insbesondere fluorierte Abkömmlinge.
Diese Halbleitermaterialien können
auch elektrisch leitend dotiert sein.
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- 1
- erste
Hauptseite
- 2
- elektrischer
Leiter
- 2a
- Anteil
dieses Leiters
- 2b
- Anteil
dieses Leiters
- 2c
- Anteil
dieses Leiters
- 3
- weiterer
elektrischer Leiter
- 3a
- Source-Kontakt
- 3b
- Drain-Kontakt
- 4
- zweite
Hauptseite
- 5
- Verbindung
- 6
- Substrat
- 7
- Gate-Dielektrikum
- 7a
- Isolation
- 8
- Polymerschicht
- 9
- Gate-Elektrode
- 10
- Träger
- 51
- Verbindung
- IC
- integrierte
Schaltung