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Atomkristalle

Dotierte Halbleiter

Die Leitfähigkeit eines Halbleiters hängt stark von dessen Reinheit ab, das heißt verunreinigte Halbleiter leiten in der Regel besser als hochreine. Man macht sich diese Tatsache zunutze, indem man in das Kristallgitter reiner Eigenhalbleiter gezielt Fremdatome einbringt. Dieser Vorgang wird Dotieren genannt. Es entstehen dotierte Halbleiter mit definierten Eigenschaften. Die Konzentration der Dotierungselemente beträgt etwa 104 % bis 107 %. Je nach Valenzelektronenzahl der Dotierungselemente unterscheidet man n- und p-Halbleiter. Durch Kombination von n- und p-Halbleitern werden elektronische Bauelemente wie Dioden und Transistoren hergestellt.

Exkurs: Dioden und Transistoren

n-Halbleiter

Beispiel Silicium/Arsen

Baut man in einen Halbleiter, zum Beispiel in einen Siliciumkristall ein Element der V. Hauptgruppe ein, zum Beispiel Arsen, so nehmen die vereinzelten Arsen-Atome Gitterplätze des Siliciums ein. Es liegt nun ein Überschuss an notwendigen Bindungselektronen vor, denn zur Ausbildung der vier kovalenten Bindungen der Diamantstruktur benötigt das Arsen-Atom nur vier seiner fünf Valenzelektronen. Das fünfte Elektron befindet sich in einem energetisch höheren Arsen-Orbital, dies wird im Bänderschema Donatorniveau genannt. Die Energiedifferenz zwischen dem Donatorniveau und dem Leitungsband beträgt im genannten Beispiel nur 0,04 eV im Gegensatz zu 1,12 eV der verbotenen Zone im reinen Silicium. Das fünfte Valenzelektron kann also relativ leicht vom Atomrumpf gelöst und ins Valenzband angeregt werden, wodurch es elektrische Leitfähigkeit verursacht.

Abb.1
n-Halbleiter im Bänderschema

Am Arsen-Atom bleibt eine am Ort gebundene positive Ladung zurück, die dem leeren für die Bindung nicht benutzten Orbital entspricht. Weil die Leitung dieses Halbleiters vor allem durch die angeregten Elektronen verursacht wird, nennt man ihn n-Halbleiter (n für negativ).

p-Halbleiter

Beispiel Silicium/Indium
Abb.2
p-Halbleiter im Bänderschema

Dotiert man Silicium mit einem Element der III. Hauptgruppe, zum Beispiel Indium, so fehlt pro Indium-Atom ein Elektron zur Ausbildung von vier Bindungen. Das Indium-Atom verfügt nun über ein leeres Orbital, das ein Elektron aus einer benachbarten Bindung, das heißt aus dem Valenzband, aufnehmen kann. Dieses Orbital wird im Bändermodell Akzeptorniveau genannt. Das Indium-Atom erhält die eine ortsfeste negative Ladung. An einem Silicium-Atom entsteht gleichzeitig ein positives Loch, ein Defektelektron, das im Kristallgitter beweglich ist. Weil die Leitung durch positive Löcher verursacht wird, spricht man von einem p-Halbleiter.

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