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Dotierung

Ein reiner Halbleiter hat einen vergleichsweise hohen Widerstand, weil bei Zimmertemperatur nur sehr wenige freie Leitungselektronen zur Verfügung stehen. Man kann aber die Leitfähigkeit eines Halbleiters auch bei Zimmertemperatur erhöhen, indem man in das Kristallgitter eine kleine Menge eines fremden Stoffes einbaut. Es gibt dann Stellen im Kristallgitter, an denen ein Ge- Atom durch ein eingebautes Fremdatom ersetzt wird. Man nennt solche Stellen auch Störstellen, da hier der reguläre Gitteraufbau gestört ist. Den Einbau von Fremdatomen in einen Halbleiter nennt man dotieren.

n- Leiter

Bild 1: Arsen- Fremdatom in einem Germaniumkristall

Arsen- Fremdatom in einem Germaniumkristall

Bild 1: Arsen- Fremdatom in einem Germaniumkristall

Werden als Fremdatome fünfwertige Atome wie z.B. Arsen (As), Antimon (Sb) oder Bismut (Bi) eingebaut, so werden für die Bindung nur vier der fünf Außenelektronen benötigt. Das fünfte Elektron findet keinen Elektronenpartner, mit dem es sich an der Bindung beteiligen könnte. Es ist daher nur schwach im Kristallgitter eingebunden und kann sich schon bei niedrigen Temperaturen vom den Fremdatom lösen. Bei der Ablösung des Elektrons wird das ursprünglich neutrale Fremdatom zu einem ortsfesten positiven Ion. Den daraus erhaltenen dotierten Halbleiter nennt man nach dem Ladungsvorzeichen der mehrheitlich vorhandenen Ladungsträger (Majoritätsträger) n Leiter. (Dabei werden nur jene Ladungen betrachtet, welche in einem angelegten elektrischen Feld frei beweglich sind, also nicht an ihren Atomkern gebunden sind.)

Die eingebauten fünfwertigen Fremdatome werden auch Donatoren genannt, da sie Leitungselektronen „spenden”. Die Ablösung des fünften Außenelektrons vom As- Atom erfolgt bereits bei extrem niedrigen Temperaturen. Bei Zimmertemperatur sind daher bereits alle As- Atome ionisiert. Sie haben also ihr fünftes Außenelektron abgegeben, das nun als freies Leitungselektron zur Verfügung steht.

Der Vorgang der elektrischen Leitung ist in einem n- Halbleiter wie bei der Elektrizitätsleitung in Metallen wie z.B. Kupfer. Bei der Wärmeaufnahme schwingen die Ge- Atome stärker um ihre Ruhelage und behindern dabei die Elektronenbewegung, Da erst ab 50° C die Ladungsträgerdichte zunimmt, muss bis zu dieser Temperatur die Leitfähigkeit absinken. Der Widerstand steigt bis 50° C also mit zunehmender Temperatur des Leiters. Ab 50° C steigt die Leitfähigkeit und der Widerstand sinkt.

p- Leiter

Bild 2: Indium- Fremdatom in einem Germaniumkristall.

Indium- Fremdatom in einem Germaniumkristall.

Bild 2: Indium- Fremdatom in einem Germaniumkristall.

Werden statt der fünfwertigen Atome dreiwertige Atome in das Ge- Gitter eingebaut, so bilden die Außenelektronen des Fremdatoms mit jeweils einem Bindungselektron des Ge- Atoms Elektronenpaare. Dreiwertige Fremdatome sind z.B. Indium (In), Gallium (Ga) oder Bor (B). Da diese Fremdatome zusätzlich Elektronen empfangen können, werden sie Akzeptoren genannt. Den daraus erhaltenen dotierten Halbleiter nennt man nach dem Ladungsvorzeichen der mehrheitlich vorhandenen Ladungsträger (Majoritätsträger) p- Leiter. Die Elektronenlöcher sind ebenfalls an der elektrischen Leitung beteiligt, sind aber in der Minderheit und heißen deshalb Minoritätsträger.

Beim Einbau von Indium in das Ge- Gitter findet das vierte Bindungselektron vom benachbarten Ge- Atoms keinen Elektronenpartner, so dass an der Störstelle ein Elektron fehlt. Diese Fehlstelle kann leicht durch ein Elektron aus einer benachbarten Elektronenbindung ausgefüllt werden. Dadurch wird die Anzahl der Löcher im Halbleiter erhöht, da Elektronen, die aus Paarbildungen stammen, gebunden werden. Das ursprünglich neutrale In- Atom wird durch den Einfang von einem Elektron zu einem negativen Ion.

Der Vorgang der elektrischen Leitung ist in einem p- Halbleiter überwiegend durch die bereits genannte Löcherleitung geprägt. Wird an den p- Leiter eine Spannung angelegt, so wandern die Elektronen zur positiven Elektrode. Gleichzeitig wandern die Löcher zur negativen Elektrode und verursachen damit eine Elektrizitätsleitung, die in der Wirkung der Bewegung positiver Ladungsträger gleichkommt.

Die bei der Dotierung angewendeten Verfahren sind sehr kompliziert. Erst deren Beherrschung ermöglichte den Fortschritt in der Halbleiter- Elektronik.