Donor- und Akzeptorverunreinigungen in Halbleitern

Doping-Definition

Doping ist der Prozess des Hinzufügens von Verunreinigungen zu einem Halbleiter, um seine leitenden Eigenschaften zu verändern.

Spenderverunreinigungen

Spenderverunreinigungen sind fünfwertige Atome, die zu Halbleitern hinzugefügt werden und zusätzliche freie Elektronen beisteuern, wodurch n-dotierte Halbleiter entstehen.

N-dotierter Halbleiter

Wenn n-dotierende oder Spenderverunreinigungen zu einem Halbleiter hinzugefügt werden, wird die verbotene Energie-Lücke in der Gitterstruktur enger. Spenderatome führen neue Energieniveaus knapp unterhalb des Leitungsbandes ein. Diese Niveaus sind diskret, da die Verunreinigungsatome weit voneinander entfernt sind und minimal interagieren. Bei Germanium beträgt die Energie-Lücke 0,01 eV, und bei Silizium 0,05 eV bei Raumtemperatur. Somit gelangt das fünfte Elektron der Spenderatome bei Raumtemperatur ins Leitungsband. Die erhöhte Anzahl an Elektronen führt zu weniger Löchern.

Die Anzahl der Löcher pro Volumeneinheit in einem n-dotierten Halbleiter ist sogar geringer als in derselben Volumeneinheit eines intrinsischen Halbleiters bei gleicher Temperatur. Dies liegt an den überschüssigen Elektronen, und es findet eine höhere Rate der Rekombination von Elektron-Loch-Paaren statt als in einem reinen oder intrinsischen Halbleiter.

P-dotierter Halbleiter

Wenn anstelle einer fünfwertigen Verunreinigung eine dreiwertige Verunreinigung zu einem intrinsischen Halbleiter hinzugefügt wird, dann entstehen im Kristall anstelle von überschüssigen Elektronen überschüssige Löcher. Denn wenn eine dreiwertige Verunreinigung zum Halbleiterkristall hinzugefügt wird, ersetzen die dreiwertigen Atome einige der vierwertigen Halbleiteratome. Die drei (3) Valenzelektronen des dreiwertigen Verunreinigungsatoms bilden Bindungen mit drei benachbarten Halbleiteratomen. Daher fehlt in einer Bindung des vierten benachbarten Halbleiteratoms ein Elektron, was ein Loch im Kristall beiträgt. Da dreiwertige Verunreinigungen überschüssige Löcher zum Halbleiterkristall beisteuern und diese Löcher Elektronen akzeptieren können, werden diese Verunreinigungen als Akzeptorverunreinigungen bezeichnet. Da die Löcher praktisch eine positive Ladung tragen, werden diese Verunreinigungen als positiv-dotierte oder p-dotierte Verunreinigungen bezeichnet, und der Halbleiter mit p-dotierten Verunreinigungen wird als p-dotierter Halbleiter bezeichnet.

Das Hinzufügen von dreiwertigen Verunreinigungen zu einem Halbleiter erzeugt ein diskretes Energieniveau direkt über dem Valenzband. Der kleine Abstand zwischen dem Valenzband und diesem neuen Energieniveau ermöglicht es den Elektronen, leicht mit einer kleinen Menge externer Energie auf das höhere Niveau zu wechseln. Wenn ein Elektron zu diesem neuen Niveau wechselt, hinterlässt es eine Lücke, oder ein Loch, im Valenzband.

Wenn wir eine n-dotierte Verunreinigung zum Halbleiter hinzufügen, gibt es überschüssige Elektronen im Kristall, aber das bedeutet nicht, dass es keine Löcher geben würde. Aufgrund der intrinsischen Natur des Halbleiters bei Raumtemperatur gibt es immer einige Elektron-Loch-Paare im Halbleiter. Durch das Hinzufügen von n-dotierten Verunreinigungen werden Elektronen zu diesen Elektron-Loch-Paaren hinzugefügt, und die Anzahl der Löcher wird durch die verstärkte Rekombination für überschüssige Elektronen reduziert. Daher ist die Gesamtanzahl der negativen Ladungsträger oder freien Elektronen in einem n-dotierten Halbleiter größer als die Anzahl der Löcher. Deshalb werden in einem n-dotierten Halbleiter die Elektronen als Mehrheitsladungsträger bezeichnet, während die Löcher als Minderheitsladungsträger bezeichnet werden. Ähnlich werden in einem p-dotierten Halbleiter die Löcher als Mehrheitsladungsträger und die Elektronen als Minderheitsladungsträger bezeichnet.

Akzeptorverunreinigungen

Akzeptorverunreinigungen sind dreiwertige Atome, die zu Halbleitern hinzugefügt werden, um überschüssige Löcher zu erzeugen und p-dotierte Halbleiter zu bilden.