Dotierung von Halbleitern

Werkstoffe werden nicht nur in Leiter und Nichtleiter eingeteilt, sondern auch in Halbleiter. Diese haben die Eigenschaft, dass ihre elektrische Leitfähigkeit von ihrem Zustand abhängt. Im Idealzustand sind die Valenzelektronen der Atome Bindungselektronen und sorgen dafür, dass die Atome miteinander verbunden sind. Durch Wärme oder Lichteinstrahlung geraten die Atome in Schwingung, so dass die Bindungselektronen aus ihrer Verbindung gelöst und zu freien Elektronen werden. Die Anzahl der freien Elektronen bestimmt darüber, wie gut ein Werkstoff den elektrischen Strom leitet.

Die Anzahl der freien Elektronen, die durch Wärme und Licht erzeugt werden, ist gering. Daher wendet man bei Halbleitern eine sogenannte Dotierung an, wodurch die elektrische Leitfähigkeit deutlich gesteigert werden kann. Im Grunde geht es darum, dass man in ein Kristallgefüge ein fremdes Atom mit mehr oder weniger Elektronen einsetzt. Nachfolgend die Erläuterung zur Dotierung.

Kristallgitter von Halbleitern im idealen Zustand

Im idealen Zustand sind alle Valenzelektronen Bindungselektronen und an die Atome gebunden. Die übrigen Elektronen bilden mit den Atomkernen die Atomrümpfe. Durch Wärme und Licht kann man erreichen, dass ca. jedes 10¹⁴ te Atom ein freies Elektron liefern. Mit der gezielten Dotierung kann man erreichen, dass z.B. jedes 10⁶ te Atom ein freies Elektron liefert.

Halbleiter mit n-Dotierung nennt man auch n-Leiter. Bei der n-Dotierung setzt man ein Atom ein, das mehr Valenzelektronen als das ursprüngliche Atom hat. Beispielsweise setzt man anstelle eines Siliziumatoms ein Arsenatom mit 5 Valenzelektronen ein. 4 Valenzelektronen gehen wieder eine Paarbindung mit den Valenzelektronen der Nachbaratome ein. Das 5. Valenzelektron kann keine Paarbindung eingehen. Es ist somit überschüssig und sehr schwach mit dem Atomrumpf verbunden. Dadurch kann sich das 5. Valenzelektron sehr einfach vom Atomrumpf lösen und wäre dann ein freies Elektron, das für die n-Leitung zur Verfügung steht und sich ohne elektrische Spannung frei bewegt. Das Fremdatom, von dem sich das Elektron gelöst hat, wird zu einem positiven Ion, da durch die Loslösung des Elektrons ein Elektron fehlt. Somit besitzen Halbleiter mit n-Dotierung ortsfeste positive Ionen und haben einen Überschuss an freien Elektronen. Der Halbleiter bleibt jedoch nach außen hin weiterhin elektrisch neutral.

Halbleiter mit p-Dotierung werden auch p-Leiter genannt. Hierbei ist es umgekehrt wie bei der n-Dotierung. Bei der p-Dotierung setzt man ein Atom mit weniger Valenzelektronen ein. Man könnte z.B. anstelle eines Siliziumatoms ein Boratom mit 3 Valenzelektronen einsetzen. Alle 3 Valenzelektronen gehen eine Paarbindung mit den Valenzelektronen der Nachbaratome ein. Somit bleibt eine Bindung mit einem Nachbaratom unbesetzt und es entsteht ein Loch. Boratome haben die Eigenschaft, die Elektronen stärker anzuziehen. Dadurch wird von einem anderen Atom, das kein Nachbaratom des Boratoms ist, ein Valenzelektron zum Loch für die Bindung mit dem Nachbaratom angezogen, so dass alle Bindungen mit den Nachbaratomen des Boratoms besetzt sind.

Ein Boratom hat im Urzustand jedoch nur 3 Valenzelektronen und durch die Bindungen mit den Nachbaratomen ist ein zusätzliches Valenzelektron hinzugekommen. Das Boratom hat ein Elektron zuviel und wird somit zu einem negativen Ion. Durch das Entreißen des Elektrons aus dem anderen Atom entsteht außerdem ein zusätzliches Loch, das wiederum von einem anderen Elektron besetzt wird und wodurch wieder ein Loch entsteht. Bei p-dotierten Halbleitern bewegen sich die Löcher ohne elektrische Spannung wahllos im Kristallgefüge und im Falle einer elektrischen Spannung Richtung Minuspol. Somit haben Halbleiter mit p-Dotierung ortsfeste negative Ionen und einen Überschuss an Löchern. Auch hierbei bleibt der Halbleiter nach außen hin elektrisch neutral.

Legt man an einen Halbleiter eine elektrische Spannung an, bewegen sich bei n-Leitern die Elektronen vom Minuspol zu Pluspol. Bei p-Leitern hat man es dagegen mit einem Löcherstrom zu tun, bei dem sich die Löcher vom Pluspol Richtung Minuspol bewegen.