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Grundwissen

Dotierte Halbleiter

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Man unterscheidet zwischen n-dotierten und p-dotierten Halbleitern (kurz n- bzw. p-Halbleiter).
  • Bei n-Halbleitern entstehen frei bewegliche Elektronen auf einem Untergrund positiver, ortsfester Atomrümpfe.
  • Bei p-Halbleitern entstehen frei bewegliche "Löcher" auf einem Untergrund negativer, ortsfester Atomrümpfe.
Aufgaben Aufgaben
Joachim Herz Stiftung Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 reduziertes Periodensystem, Halbleiter- und Dotierungselemente

Wesentliche Anwendungen der Halbleiter (z.B. bei Diode und Transistor) ergeben sich erst dann, wenn man die hochrein hergestellten Si- bzw. Ge-Kristalle mit Elementen aus der III. bzw. V. Hauptgruppe "verunreinigt" und damit deren Leitfähigkeit erhöht. Man bezeichnet den gezielten Einbau von Elementen der III. oder V. Hauptgruppe in einen Germanium- oder Siliziumkristall als Dotierung.

Baut man z.B. in einen Siliziumkristall ein fünfwertiges Element ein (z.B. Phosphor), so entsteht ein n-Halbleiter, beim Einbau eines dreiwertigen Elements (z.B. Bor) entsteht ein p-Halbleiter.

Abb. 2 n-Dotierung eines Halbleiters (SI dotiert mit P) und dessen Verhalten bei geringer Energiezufuhr

n-Halbleiter

Fünfwertige Atome (z.B.: Phosphor, Arsen oder Antimon) haben 5 Valenzelektronen. Vier dieser Außenelektronen werden zum Einbau in den Siliziumkristall benötigt (Elektronenpaar-Bindung). Das fünfte Außenelektron ist nur noch sehr schwach an den positiven Atomrumpf des Fremdatoms gebunden und löst sich schon bei geringster Energiezufuhr von diesem. Zurück bleibt dann der positive Atomrumpf des Fremdatoms (wird oft auch als Donatoratom bezeichnet, da es ein Elektron "liefert"), der in nebenstehender Animation dunkelrot dargestellt ist. Im Gegensatz zu einem positiven Loch bei der Eigenleitung ist der positive Atomrumpf des Fremdatoms nicht beweglich, da alle Bindungen bereits abgesättigt sind und keine Elektronenfehlstelle besteht.

Fazit:

  • Durch den Einbau eines Donatoratoms kommt es zum Auftreten freier beweglicher Elektronen und ortsfester positiver Atomrümpfe.

  • Daneben kommt es natürlich auch noch in geringem Maße zum Phänomen der Eigenleitung. Dies führt zu beweglichen Elektronen und Löchern.

  • Insgesamt überwiegen in dem Kristall bei den beweglichen Ladungsträgern die negativen Elektronen (Majoritätsträger). Man bezeichnet den Kristall daher als n-Halbleiter. In wesentlich geringerem Maße treten die beweglichen, positiven Löcher auf (Minoritätsträger).

Vereinfachung der Darstellung

Für weitere Betrachtungen ist eine Darstellung des Kristalls mit seinen Gitterbindungen zu aufwändig. Um die Funktionsweise von Diode und Transistor verstehen zu können, reicht es, wenn man weiß, dass der n-Halbleiter überwiegend Elektronen als bewegliche Ladungsträger besitzt, die sich über einem Untergrund positiver ortsfester Ladungen (Atomrümpfe der Fremdatome) bewegen. Die nebenstehende Animation macht die vereinfachte Darstellung des n-Halbleiters deutlich.

 

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Abb. 3 Vereinfachung der Darstellung eines n-dotierten Halbleiters
Abb. 4 p-Dotierung eines Halbleiters (SI dotiert mit B) und dessen Verhalten bei geringer Energiezufuhr

p-Halbleiter

Dreiwertige Atome (z.B.: Bor, Gallium oder Indium) haben nur 3 Valenzelektronen. Vier Elektronen werden aber zum Einbau in den Siliziumkristall benötigt (Elektronenpaar-Bindung). Bei nicht zu tiefen Temperaturen besteht nun eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich das Fremdatom zur Absättigung der Bindung aus der Umgebung eine Elektron "holt". Man bezeichnet daher auch das dreiwertige Fremdatom als Akzeptoratom. Aus diese Weise entsteht am Ort des Fremdatoms eine negative ortsfeste Ladung (blauer Ring in der Animation) und in der Umgebung des Fremdatoms ein positives Loch, da ja einem Siliziumatom ein Elektron abgezogen wurde.

Fazit:

  • Durch den Einbau eines Akzeptoratoms kommt es zum Auftreten freier beweglicher Löcher und ortsfester negativer Atomrümpfe.

  • Daneben kommt es natürlich auch noch in geringem Maße zum Phänomen der Eigenleitung. Dies führt zu beweglichen Elektronen und Löchern.

  • Insgesamt überwiegen in dem Kristall bei den beweglichen Ladungsträgern die positiven Löcher (Majoritätsträger). Man bezeichnet den Kristall daher als p-Halbleiter. In wesentlich geringerem Maße treten die beweglichen, negativen Elektronen auf (Minoritätsträger).

Vereinfachung der Darstellung

Für weitere Betrachtungen ist eine Darstellung des Kristalls mit seinen Gitterbindungen zu aufwändig. Auch für den p-Halbleiter verwenden wird eine vereinfachte Darstellung, welche die beweglichen Löcher als rote Kreise darstellt. Sie bewegen sich über einem Untergrund negativer ortsfester Ladungen (Atomrümpfe der Fremdatome).

 

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Abb. 5 Vereinfachung der Darstellung von p-dotierten Halbleitern