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Dotierung und Störstellenleitung

Donatoren und Akzeptoren

Durch das Einbringen von Störstellen in einen Halbleiterkristall können die elektrischen Eigenschaften des (reinen) Halbleiters beeinflusst werden. Bei den Störstellen handelt es sich um Fremdatome

unterschiedlicher Wertigkeit, beispielsweise Bor oder Phosphor bei Siliciumkristallen. Der Vorgang wird allgemein als Dotierung bzw. als Dotieren bezeichnet. Außerdem können durch örtlich begrenztes Dotieren die Kombination von unterschiedlich dotierten Gebieten verschiedene Bauelemente, z. B. ein Bipolartransistor, hergestellt werden.

Das Einbringen von Störstellen erzeugt zusätzliche, örtlich gebundene Energieniveaus im Banddiagramm des Kristalls. Die Niveaus liegen im Allgemeinen in der für das Wirtsmaterial ansonsten vorhandenen Energielücke (Bandlücke) zwischen Valenz- und Leitungsband. Durch die im Vergleich zu undotierten Halbleitern geringeren Energiedifferenzen der „Zwischenniveaus“ zum Valenz- bzw. Leitungsband können die Ladungsträger leichter zwischen den Bändern wechseln, die Beweglichkeit der Ladungsträger bei niedrigeren Temperaturen wird erhöht. Es stehen daher mehr Ladungsträger für die Leitung des elektrischen Stroms zur Verfügung, was sich in einer gegenüber dem reinen Halbleiter erhöhten Leitfähigkeit äußert. Man nennt diesen Leitungsmechanismus daher auch

Störstellenleitung . Es werden dabei zwei Arten von Störstellen unterschieden: Donatoren und Akzeptoren.

Übliche Dotiergrade

Stärke / Substrat n-leitend p-leitend

Normale

Dotierung / Silicium

1 Donator auf 10 7

1 Akzeptor auf 10 6

Starke Dotierung / Silicium

1 Donator auf 10 4

1 Akzeptor auf 10 4

Als (Elektronen-)Donatoren (lat. donare = schenken) werden Fremdatome bezeichnet, die ein Elektron mehr im Valenzband haben als der reine Halbleiter, man beizeichnet solche Gebiete auch als n-dotierte Halbleiter. Werden solche Fremdatome in den Halbleiter eingebracht (substituiert), so bringt jedes dieser Fremdatome (im Fall Phosphor und Silicium) ein Elektron mit, das nicht für die Bindung benötigt wird und leicht abgelöst werden kann. Es bildet sich ein Störstellenniveau in der Nähe der unteren Energie des Leitungsbandes.

Analog werden als (Elektronen-)Akzeptoren lat. accipere = annehmen) Fremdatome bezeichnet, die ein Elektron weniger im Valenzband haben. Dieses Elektron fehlt für die Bindung zum Nachbaratom. Sie wirken als ein zusätzliches Defektelektron (Loch) mit (p-Dotierung), welches leicht von Valenzbandelektronen besetzt werden kann – daher findet sich auch in einigen Betrachtungen der Begriff Löcherdonatoren. Im Bänderschema liegt ein solches Störstellenniveau nahe oberhalb der Valenzbandkante.

In einem intrinsischen Halbleiter sind die Ladungsträgerkonzentrationen von Elektronen und Löchern gleich (Elektronen-Loch-Paare). Daher sind beide Ladungsträgerarten

näherungsweise zu gleichen Teilen am Ladungstransport beteiligt. Durch das Einbringen von Donatoren und Akzeptoren lässt sich dieses Gleichgewicht gezielt beeinflussen. Bei Dotierung mit Donatoren sorgen vorwiegend die Elektronen im Leitungsband, bei Dotierung mit Akzeptoren die gedachten, positiv geladenen Löcher im Valenzband für elektrische Leitfähigkeit. Im ersten Fall spricht man von Elektronenleitung oder n-Leitung (n → negativ), im anderen Fall von Löcherleitung oder p-Leitung (p → positiv). Halbleiterbereiche mit Elektronenüberschuss bezeichnet man (wie oben erwähnt) als n-dotiert , solche mit Mangel, also mit „Löcherüberschuss“, als p-dotiert . Im n-Leiter werden die Elektronen als Majoritätsladungsträger (mehrheitlich vorhandene Ladungsträger), die Löcher als Minoritätsladungsträger bezeichnet, im p-Leiter gilt die entsprechende Umkehrung. Durch geschickte Kombination von n- und p-