Störstellenleitung 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 1:1010 ) Halbleiterphysik Prof. Goßner

Methoden der Dotierung Zugabe der Fremdelemente zur Schmelze vor dem Kristallziehen Legierungstechnik Diffusionstechnik Epitaxialtechnik Ionenimplantation Kernumwandlung 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+ 4+ 4+ 5+ 4+ 4+ 4+ 4+ 4+ 4+ Halbleiterphysik Prof. Goßner

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

n-dotierter Halbleiter 4+ 5+ freies Elektron Bei Dotierung mit 5-wertigen Fremdatomen entstehen nur freie negative Ladungsträger Man spricht von einem n-dotierten Halbleiter Da 5-wertige Fremdatome Elektronen abgeben, nennt man sie Donatoren (von lateinisch „donare“ = geben, schenken) Halbleiterphysik Prof. Goßner

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

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

Ionisierung des 3-wertigen Fremdatoms 4+ 3+ ortsfeste Raumladung Da 3-wertige Fremdatome Elektronen aufnehmen, nennt man sie Akzeptoren (von lateinisch „accipere“ = nehmen) Wegen des zusätzlichen Elektrons ist an der Stelle des Fremdatoms eine ortsfeste negative Raumladung entstanden Wegen des zugewanderten Elektrons ist das Fremdatom nun mit vier kompletten Paarbindungen in den Kristall integriert 4+ 3+ 3+ ortsfeste Raumladung Halbleiterphysik Prof. Goßner

p-dotierter Halbleiter 4+ 3+ ortsfeste Raumladung Bei Dotierung mit 3-wertigen Fremdatomen entstehen nur bewegliche positive Ladungsträger (Löcher ) Man spricht von einem p-dotierten Halbleiter Loch Halbleiterphysik Prof. Goßner

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

Dotierungskonzentration Der Störstellenleitung ist stets die Eigenleitung überlagert Die Konzentration freier Ladungsträger wird somit durch die Konzentration der Fremdatome und durch die Eigenleitung bestimmt Wählt man die Dotierungskonzentration nA der Akzeptoratome bzw. nD der Donatoratome deutlich größer als ni, so bestimmt die Dotierung die Konzentration freier Ladungsträger Halbleiterphysik Prof. Goßner

Unterschiedliche Konzentration von Elektronen und Löchern 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 Halbleiterphysik Prof. Goßner

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

Majoritätsträgerdichte Die Majoritätsträgerkonzentration im dotierten Halbleiter ist für normale Anwendungen temperaturunabhängig Im n-leitenden Halbleiter beträgt die Dichte nn freier Elektronen nn = nD + ni nn  nD (für nD >> ni) Im p-leitenden Halbleiter beträgt die Dichte pp von Löchern pp = nA + ni pp  nA (für nA >> ni) Halbleiterphysik Prof. Goßner

Temperaturabhängigkeit der Majoritätsträgerkonzentration Die Temperatur-Unabhängigkeit der Majoritätsträgerkonzentration gilt nur in einem eingeschränkten Temperaturbereich ln n T/K 100 500 Störstellen- Reserve Störstellen- Erschöpfung Eigenleitung dominiert nges ni ionisierte Störstellen Halbleiterphysik Prof. Goßner

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

Minoritätsträgerkonzentration Vergrößert man durch Dotieren die Dichte einer Ladungsträgerart um den Faktor a gegenüber der Intrinsic-Konzentration ni, 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 ni Halbleiterphysik Prof. Goßner

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

Massenwirkungsgesetz Die drei Beziehungen n = p = ni lassen sich zusammenfassen Massenwirkungsgesetz Halbleiterphysik Prof. Goßner

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