Sexl Physik 7, Schulbuch

| 94 Dotierte Halbleiter Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleich viele Leitungselektronen wie Elektronenlöcher. Die Zahl der frei beweglichen Ladungsträger und damit die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdato- me ( Dotierung ) beträchtlich gesteigert werden. Man spricht dann von dotierten Halbleitern. Dotiertes Silicium ist das hauptsächlich genutze Ausgangsmaterial für Transistoren und andere Halbleiterbauelemente. a) Elektronenüberschussleiter (n-Leiter) Man ersetzt einen kleinen Teil der Si-Atome im Kristall durch Atome der 5. Haupt- gruppe (z. B. Phosphoratome). Typischerweise wird eines von 10 4 bis 10 7 Silicium- atomen im Kristallgitter durch ein Phosphoratom ersetzt. Phosphor besitzt in der äußersten Elektronenhülle fünf Elektronen, von denen nur vier an der Bindung mit den benachbarten Siliciumatomen teilnehmen können. Das fünfte Elektron ist nicht an das Gitter gebunden und lässt sich daher leicht vom Phosphoratom tren- nen. Das zurückbleibende unbewegliche Phosphor-Ion ist positiv geladen. Da es ein Elektron abgegeben hat, wird es Elektronenspender ( Donator ) genannt. Die für die Abtrennung erforderliche Energie ist beträchtlich kleiner als die mitt- lere Schwingungsenergie der Gitteratome. Bereits bei Zimmertemperatur verlieren daher praktisch alle Phosphoratome durch Stöße ihr fünftes Elektron. Bei einer Konzentration von einem Phosphoratom auf 10 6 Siliciumatome bedeutet dies – bei einer Dichte von etwa 10 22 Atomen pro cm 3 – eine Dichte von 10 16 frei beweglichen Elektronen pro cm 3 . Reines Silicium enthält etwa 10 10 freie Elektronen pro cm 3 . Dies erklärt die wesentlich höhere Leitfähigkeit des dotierten Halbleiters. Die Dotierung mit fünfwertigen Atomen führt zu einer Erhöhung der Zahl von frei beweglichen Elektronen und damit zu einer gegenüber reinen Halbleitern erhöh- ten Leitfähigkeit. Man spricht daher von einem Elektronenüberschussleiter oder n-Leiter . Die im Halbleiter stets vorhandenen freien Elektron-Elektronenloch-Paare tragen nur wenig zur Leitfähigkeit bei. b) Elektronenmangelleiter (p-Leiter) Baut man dreiwertige Boratome in den Siliciumkristall ein, so fehlt den Borato- men ein Elektron, um die Bindungen zu allen vier Siliciumnachbarn durch Elek- tronenpaare herzustellen. Die fehlenden Elektronen werden von den umgebenden Siliciumatomen genommen – und damit fehlen diesen wieder Elektronen: Elek- tronenlöcher als zusätzliche Ladungsträger sind erzeugt worden. Boratome, die ein Elektron eingefangen haben, heißen Akzeptoren . Sie sind neg- ativ geladen und an ihre Gitterplätze gebunden. Die von ihnen erzeugten Elek- tronenlöcher stehen für den Ladungstransport zur Verfügung. Ihre Dichte wird durch die Dichte der Akzeptoratome reguliert und übertrifft jene der frei bewegli- chen Elektronen bei weitem. Löcher verhalten sich beim Anlegen einer Spannung wie positive Ladungsträger, man spricht daher von Elektronenmangelleitern oder p-Leitern . Die Leitfähigkeit eines reinen Halbleiterkristalls beruht auf frei beweglichen Ladungsträgern: Elektronen und Elektronenlöchern. Die Elektronenlöcher verhalten sich wie positive Ladungen. Die Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu. Die Dotierung mit Fremdatomen erhöht die Leitfähigkeit von Halbleiterkristallen. Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfähigkeit. w c) Herstellung von Einkristallen und Dotierung Silicium ist nach Sauerstoff das häufigste Element der Erdkruste, doch kommt es nicht rein, sondern als SiO 2 (Quarz) vor. Die Herstellung von Siliciumkristallen er- fordert die Herstellung von Reinsilicium und die Züchtung möglichst vollkomme- ner Kristalle. Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ P 5+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ 94.1 Das Phosphoratom bindet sich mit vier Elektronen in das Siliciumgitter. Das fünfte Valenzelektron wird durch die thermische Bewegung der Gitterionen abgelöst. Phos- phoratome sind Donatoren. Silicium wird zum n-Leiter. Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ B 3+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ 94.2 Bor erzeugt als Akzeptor ein Elektronen- loch: Silicium wird zum p-Leiter. 94.3 Silicium-Kristalle hoher Reinheit werden in dünne Scheiben (Wafer) geschnitten, die das Ausgangsmaterial für Mikrochips bilden. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv