Dotieren

Als Dotieren bezeichnet man den Einbau von Fremdatomen in den atomaren Gitterverbund von Halbleitern. Dadurch kann man gezielt die elektrische Leitung in Halbleitern, die sowohl auf der Elektronenleitung als auch auf der Löcherleitung beruht, beeinflussen.

Das als Halbleitermaterial genutzte Silicium und Germanium gehören zur IV. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Sie haben vier Außenelektronen in der äußeren Schale. Die Atome sind durch Atombindung miteinander verbunden. Dabei werden im Atomgitter gemeinsame Paare von Außenelektronen gebildet (Bild 1). Damit sind fast alle Elektronen im Gitter fest gebunden.

Bei reinem Silicium beträgt beispielsweise die Anzahl von freien Elektronen bei Normaltemperatur etwa nur ein Elektron pro 100 Millionen Siliciumatomen. Somit besitzen reine Halbleiter wie Silicium oder Germanium bei Zimmertemperaturen nur eine relativ geringe Eigenleitung.

Die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann erhöht werden, wenn man Atome anderer Elemente (Fremdatome) einbringt, die mehr oder weniger Außenelektronen haben als die Halbleiteratome. Damit entstehen Störstellen mit freien Elektronen oder Defektelektronen. Die darauf basierende Leitung wird Störstellenleitung genannt.

Wird z. B. Silicium mit 5-wertigen Atomen (Phosphor, Arsen) dotiert, so werden vier der fünf äußeren Elektronen dieser Atome gebunden; das fünfte steht als wanderungsfähiges Elektron für den Leitungsvorgang zur Verfügung. Ein solcher dotierter Halbleiter wird als n-Halbleiter, die entsprechende Leitung als n-Leitung bezeichnet, da die Leitung vorrangig durch negativ geladene Elektronen erfolgt. In Bild 2 ist der Aufbau eines solchen mit Phosphor dotierten n-Halbleiters vereinfacht dargestellt.

Wird z. B. Silicium mit 3-wertigen Atomen (Bor, Aluminium, Indium) dotiert, so werden alle drei äußeren Elektronen dieser Atome gebunden. Es bleibt aber ein Loch oder Defektelektron, das sich wie ein positiver Ladungsträger verhält. Ein solcher dotierter Halbleiter wird als p-Halbleiter, die entsprechende Leitung als p-Leitung bezeichnet, da die Leitung vorrangig durch die Löcher erfolgt, die sich wie positive Ladungsträger verhalten. In Bild 3 ist der Aufbau eines solchen mit Bor dotierten p-Halbleiters vereinfacht dargestellt.

Das Dotieren kann auf unterschiedliche Weise vonstatten gehen. Da das Halbleitermaterial meist in Form großer Kristalle aus einer Schmelze durch Kristallisation abgeschieden wird, kann man die Fremdatome der Schmelze beimischen. Auf diese Weise entsteht eine sehr gleichmäßige Verteilung der Fremdatome im Halbleitermaterial.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Halbleiterkristall mit Ionenstrahlen der gewünschten Fremdatome zu beschießen. Bei diesem Verfahren entsteht eine große Fremdatomkonzentration in der Nähe der Halbleiteroberfläche.

Unabhängig von der Art der Dotierung gilt:

• Die Anzahl der dotierten Fremdatome ist sehr viel kleiner als die Anzahl der Halbleiteratome.
• Durch Dotieren lässt sich die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials einerseits gezielt beeinflussen und andererseits in weiten Grenzen variieren. Damit ist es möglich, genau solche Halbleitermaterialien herzustellen, die man für einen bestimmten Zweck benötigt.