Reines Silizium leitet bei Raumtemperatur schlecht und dazu noch stark temperaturabhängig. Für Bauelemente ist es so kaum zu gebrauchen. Bringt man aber gezielt winzige Mengen bestimmter Fremdatome in den Kristall ein, ändert sich das grundlegend: Schon ein Fremdatom auf eine Million Siliziumatome erhöht die Leitfähigkeit um mehr als das Zehntausendfache. Dieses gezielte Verunreinigen heißt Dotierung. Es ist der eigentliche Grund, warum Halbleiter so vielseitig sind.
n-Dotierung: ein Elektron zu viel
Silizium hat vier Valenzelektronen. Ersetzt man einzelne Siliziumatome durch Atome aus der fünften Hauptgruppe – meist Phosphor (P), auch Arsen (As) oder Antimon (Sb) –, passen diese sich ins Gitter ein und gehen vier Bindungen mit ihren Nachbarn ein. Das fünfte Elektron wird für keine Bindung gebraucht. Es ist nur sehr schwach gebunden (bei Phosphor in Silizium mit etwa 0,045 eV) und löst sich bei Raumtemperatur praktisch immer.
Solche Fremdatome heißen Donatoren (von lateinisch donare, schenken), weil sie ein Elektron spenden. Zurück bleibt ein ortsfestes, positiv geladenes Ion im Gitter. Der Kristall als Ganzes bleibt elektrisch neutral: Das Phosphoratom bringt mit seinem fünften Elektron auch ein zusätzliches Proton im Kern mit. Weil nun freie Elektronen die Leitung übernehmen, spricht man von n-Leitung (n für negativ).
p-Dotierung: ein Elektron zu wenig
Atome aus der dritten Hauptgruppe – fast immer Bor (B), seltener Aluminium, Gallium oder Indium – haben nur drei Valenzelektronen. Im Siliziumgitter fehlt ihnen eines für die vierte Bindung. Ein Elektron aus einer Nachbarbindung springt bereitwillig ein, und das Fehlen wandert als Loch weiter. Das Boratom ist danach ein ortsfestes negatives Ion.
Diese Fremdatome heißen Akzeptoren (von lateinisch accipere, annehmen), weil sie ein Elektron aufnehmen. Die Leitung übernehmen jetzt überwiegend Löcher: p-Leitung (p für positiv). Ohne äußere Spannung springen die Löcher durch die Wärmebewegung regellos hin und her; erst ein elektrisches Feld gibt ihrer Wanderung eine Richtung.
Was im Stromkreis passiert
Legst du an ein n-dotiertes Stück Silizium eine Spannung, zieht der Pluspol freie Elektronen ab, und der Minuspol liefert gleich viele nach – ein Elektronenstrom vom Minus- zum Pluspol, ganz wie im Metall. Im p-Gebiet sieht es anders aus: Am Minuspol treten Elektronen ein und füllen Löcher auf, am Pluspol werden Elektronen aus Bindungen abgezogen, wodurch dort neue Löcher entstehen. Im Inneren wandern die Löcher so vom Plus- zum Minuspol – der Löcherstrom hat also die Richtung der technischen Stromrichtung.
Majoritäts- und Minoritätsträger
Auch in dotiertem Silizium entstehen durch Wärme weiterhin Elektron-Loch-Paare. Die Ladungsträgerart, die durch die Dotierung überwiegt, heißt Majoritätsträger; die andere Minoritätsträger. Im n-Gebiet sind also Elektronen die Majoritäts- und Löcher die Minoritätsträger, im p-Gebiet umgekehrt.
Die beiden Dichten hängen über das Massenwirkungsgesetz zusammen: Ihr Produkt ist bei gegebener Temperatur konstant und gleich dem Quadrat der Eigenleitungsdichte ni:
Mehr Elektronen bedeuten also weniger Löcher – denn mehr freie Elektronen füllen auch mehr Löcher wieder auf (Rekombination).
Dabei kommt auf 5 Millionen Siliziumatome (5 · 1022 cm-3) gerade ein Phosphoratom. Die nötige Reinheit des Ausgangsmaterials ist entsprechend extrem: Für Halbleiter-Silizium sind Verunreinigungen von weniger als einem Fremdatom auf eine Milliarde üblich.
Wie dotiert wird
| Verfahren | Prinzip | Einsatz |
|---|---|---|
| Dotieren beim Kristallziehen | Dotierstoff in der Siliziumschmelze | Grunddotierung des ganzen Wafers |
| Diffusion | Dotierstoff dringt bei 900–1200 °C aus Gas oder Schicht ein | ältere Verfahren, Solarzellen |
| Ionenimplantation | Dotieratome werden beschleunigt und eingeschossen | Standard in der Chipfertigung, sehr genau dosierbar |
| Epitaxie | dotierte Kristallschicht wird aufgewachsen | Schichten mit definierter Dicke und Dotierung |
Die Dotierstoffe kommen dabei selten als reines Element zum Einsatz, sondern meist als Gas oder Flüssigkeit: Phosphor etwa als Phosphin (PH3) oder Phosphorylchlorid (POCl3), Arsen als Arsin (AsH3), Bor als Diboran (B2H6) oder Bortrichlorid (BCl3). Viele dieser Stoffe sind hochgiftig.
Bei der Ionenimplantation werden Fenster in einer Maskenschicht geöffnet, sodass nur bestimmte Bereiche dotiert werden. Danach heilt ein kurzes Erhitzen die Gitterschäden aus und baut die Fremdatome ins Gitter ein. Mehr zu den Prozessen steht unter Chemie in der Halbleiterfertigung.
Die Dotierungsdichten reichen von etwa 1013 bis über 1020 Atomen pro cm³. Sehr hoch dotierte Gebiete werden mit n+ oder p+ bezeichnet, schwach dotierte mit n- oder p-. Hoch dotiert sind etwa die Anschlussgebiete von Transistoren, damit der Kontakt zum Metall niederohmig wird.
Wozu das alles?
Ein einzelnes dotiertes Gebiet ist nur ein Widerstand mit bestimmtem Wert – tatsächlich werden so Widerstände in ICs hergestellt. Interessant wird es, wenn p- und n-Gebiete aneinanderstoßen: Dann entsteht der pn-Übergang, der den Strom nur in eine Richtung durchlässt. Mehrere Übergänge hintereinander ergeben Transistoren, Thyristoren und mehr. Wie sich dotierte Halbleiter bei Erwärmung verhalten, beschreibt Temperaturverhalten von Halbleitern.
Selbsttest
Welches Element wird für n-Dotierung von Silizium meist verwendet, und warum?
Phosphor – es hat fünf Valenzelektronen, eines davon wird nicht gebunden und ist frei beweglich.
Was sind im p-Gebiet die Majoritätsträger?
Löcher.
Ein n-Gebiet hat n = 1017 cm-3. Wie viele Löcher gibt es bei ni = 1010 cm-3?
p = 1020 / 1017 = 1000 cm-3.