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1 Störstellenleitung Halbleiterphysik Prof. Goßner  Die Leitfähigkeit eines Halbleiters läßt sich deutlich erhöhen durch Einbau von Fremdatomen in den.

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1 1 Störstellenleitung Halbleiterphysik Prof. Goßner  Die Leitfähigkeit eines Halbleiters läßt sich deutlich erhöhen durch Einbau von Fremdatomen in den Halbleiterkristall  Das Hinzufügen von Fremdatomen wird „Dotieren“ genannt  Zum Dotieren eignen sich vorzugsweise 3- oder 5-wertige Elemente, z.B. 5-wertig: P, As, Sb 3-wertig: B, Al, In  Dotiert wird mit relativ geringen Mengen von Fremdatomen (Fremdatome : Halbleiteratome = 1:1000 bis 1:10 10 )

2 2 Methoden der Dotierung Halbleiterphysik Prof. Goßner  Legierungstechnik  Zugabe der Fremdelemente zur Schmelze vor dem Kristallziehen  Diffusionstechnik  Epitaxialtechnik  Ionenimplantation  Kernumwandlung

3 3 Halbleiterphysik Prof. Goßner Dotieren mit 5-wertigen Fremdatomen  Ein 5-wertiges Fremdatom wird wie ein Halbleiteratom mit vier Elektronenpaarbindungen in den Kristall eingebaut

4 4 Halbleiterphysik Prof. Goßner Ionisierung des 5-wertigen Fremdatoms  Das 5.Valenzelektron wird zum Kristallaufbau nicht gebraucht  Mit einer Aktivierungsenergie von ca. 10 bis 50 meV kann es von seinem Atom abgetrennt werden  Bei der Ionisierung des 5-wertigen Fremdatoms entsteht ein freies Elektron freies Elektron  Das ionisierte Fremdatom bildet eine ortsfeste positive Raumladung 5+ ortsfeste Raumladung WW

5 freies Elektron 5+  Bei Dotierung mit 5-wertigen Fremdatomen entstehen nur freie negative Ladungsträger Man spricht von einem n-dotierten Halbleiter Halbleiterphysik Prof. Goßner n-dotierter Halbleiter  Da 5-wertige Fremdatome Elektronen abgeben, nennt man sie Donatoren (von lateinisch „donare“ = geben, schenken)

6 6 Halbleiterphysik Prof. Goßner Dotieren mit 3-wertigen Fremdatomen 4+  Ein 3-wertiges Fremdatom wird wie ein Halbleiteratom mit Elektronenpaarbindungen in den Halbleiterkristall eingebaut 3+  Bei dem 3-wertigen Fremdatom kommen allerdings nur drei Elektronenpaarbindungen zustande

7 Halbleiterphysik Prof. Goßner Ionisierung des 3-wertigen Fremdatoms  Ein Elektron von einem Nachbaratom kann in die unvollständige Paarbindung wechseln. 4+  Dabei entsteht ein Loch  Dabei entsteht ein Loch, welches wandern kann. 4+

8 8 Halbleiterphysik Prof. Goßner  Wegen des zugewanderten Elektrons ist das Fremdatom nun mit vier kompletten Paarbindungen in den Kristall integriert  Wegen des zusätzlichen Elektrons ist an der Stelle des Fremdatoms eine ortsfeste negative Raumladung entstanden 3+ ortsfeste Raumladung ortsfeste Raumladung  Da 3-wertige Fremdatome Elektronen aufnehmen, nennt man sie Akzeptoren (von lateinisch „accipere“ = nehmen) Ionisierung des 3-wertigen Fremdatoms

9 ortsfeste Raumladung Halbleiterphysik Prof. Goßner p-dotierter Halbleiter  Bei Dotierung mit 3-wertigen Fremdatomen entstehen nur bewegliche positive Ladungsträger (Löcher ) Loch  Man spricht von einem p-dotierten Halbleiter

10 10  Schon weit unterhalb Raumtemperatur sind alle Dotierungsatome (Fremdatome, Störstellen) ionisiert Ionisierung der Störstellen Halbleiterphysik Prof. Goßner  Jedes Fremdatom kann genau einen beweglichen Ladungsträger liefern

11 11  Wählt man die Dotierungskonzentration n A der Akzeptoratome bzw. n D der Donatoratome deutlich größer als n i, so bestimmt die Dotierung die Konzentration freier Ladungsträger Dotierungskonzentration Halbleiterphysik Prof. Goßner  Der Störstellenleitung ist stets die Eigenleitung überlagert  Die Konzentration freier Ladungsträger wird somit durch die Konzentration der Fremdatome und durch die Eigenleitung bestimmt

12 12 Unterschiedliche Konzentration von Elektronen und Löchern Halbleiterphysik Prof. Goßner  Die Konzentrationen von freien Elektronen und von Löchern sind im dotierten Halbleiter nicht gleich  Im n-leitenden Halbleiter ist die Konzentrationen freier Elektronen größer als die Konzentration von Löchern  Im p-leitenden Halbleiter ist die Konzentrationen von Löchern größer als die Konzentration freier Elektronen

13 13 Unterschiedliche Konzentration von Elektronen und Löchern Halbleiterphysik Prof. Goßner „Majoritätsträger“  Die in der Mehrzahl vorhandene Ladungsträgerart nennt man „Majoritätsträger“ „Minoritätsträger“  Die in der Minderzahl vorhandene Ladungsträgerart nennt man „Minoritätsträger“

14 14 Majoritätsträgerdichte Halbleiterphysik Prof. Goßner  Im p-leitenden Halbleiter beträgt die Dichte p p von Löchern  p p = n A + n i  p p  n A (für n A >> n i )  n n  n D (für n D >> n i )  Im n-leitenden Halbleiter beträgt die Dichte n n freier Elektronen  n n = n D + n i  Die Majoritätsträgerkonzentration im dotierten Halbleiter ist für normale Anwendungen temperaturunabhängig

15 15 Temperaturabhängigkeit der Majoritätsträgerkonzentration Halbleiterphysik Prof. Goßner ln n T/K n ges Störstellen- Reserve Störstellen- Erschöpfung ionisierte Störstellen nini Eigenleitung dominiert Die Temperatur-Unabhängigkeit der Majoritätsträgerkonzentration gilt nur in einem eingeschränkten Temperaturbereich

16 16 Minoritätsträgerkonzentration Halbleiterphysik Prof. Goßner  Neben den hauptsächlich aus der Dotierung stammenden Majoritätsträgern existieren durch Eigenleitung entstehende Minoritätsträger  Die Konzentration der Majoritätsträger beeinflußt die Konzentration der Minoritätsträger

17 17 Minoritätsträgerkonzentration Halbleiterphysik Prof. Goßner  Vergrößert man durch Dotieren die Dichte einer Ladungsträgerart um den Faktor a gegenüber der Intrinsic-Konzentration n i, so  erhöht sich die Rekombinationswahrscheinlichkeit der anderen Ladungsträgerart um denselben Faktor a  reduziert sich die Konzentration der anderen Ladungsträgerart um den Faktor 1/a gegenüber der Intrinsicdichte n i

18 18 Massenwirkungsgesetz Halbleiterphysik Prof. Goßner Es gelten folgende Beziehungen  für n-leitende Halbleiter  für p-leitende Halbleiter  für reine Eigenleitung n = p = n i

19 19 Massenwirkungsgesetz Halbleiterphysik Prof. Goßner  Die drei Beziehungen Massenwirkungsgesetz lassen sich zusammenfassen n = p = n i

20 20 Leitfähigkeit eines Halbleiters Halbleiterphysik Prof. Goßner  Der Kehrwert des spezifischen Widerstandes ist die Leitfähigkeit , der Quotient aus der Stromdichte S und der elektrischen Feldstärke E Stromdichte Stromstärke Geschwindigkeit Volumen Elektronendichte Beweglichkeit  Mit den Größen wird daraus  Für einen Halbleiter mit Elektronen und Löchern ergibt sich


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