Glaubst du uns, dass ohne das Dotieren kein modernes elektrisches Gerät funktionieren würde? In modernen Handys oder Computern sind Transistoren eingebaut. Diese Transistoren benötigen dotierte Halbleiter, um zu funktionieren. Warum das so sinnvoll ist, wie das Ganze funktioniert und wo Du diese Halbleiter im Alltag finden kannst, erfährst Du in diesem Artikel.
Dotierung Definition Physik
Was steckt also hinter dem Begriff Dotierung?
Um ein nicht leitfähiges Halbleitermaterial leitfähig zu machen, werden diesem Material Fremdatome hinzugefügt. Dieser Vorgang wird als Dotierung bezeichnet.
Bei der Dotierung wird die Gitterstruktur von Halbleiterkristallen gezielt modifiziert. Dies erfolgt durch das Hinzufügen von Fremdatomen, auch Störstellen genannt.
Doch was bedeutet das genau?
Dotierung Bedeutung
Durch die Veränderung der Gitterstruktur des Halbleiterkristalles verändern sich nicht nur die strukturellen Eigenschaften. Es verändern sich auch die optischen und die für den Halbleiter wichtigen elektrischen Eigenschaften. Je nachdem, welche Art des Halbleiters hergestellt wird, werden unterschiedliche Elemente verwendet. Die hergestellten Halbleiter sind dann entweder p- oder n-dotiert.
Welche Elemente genau benutzt werden, spielt bei der Herstellung eine wichtige Rolle.
Elemente bei der Dotierung
Für die Herstellung von Halbleitern werden zum einen ein Ausgangselement und zum anderen Fremdatome oder Dotieratome benötigt. Zunächst erfährst Du was über die Ausgangsatome.
Zur Herstellung von Halbleitern werden die Elemente Silicium und Germanium verwendet. Diese Elemente gehören der vierten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente an. Demnach haben sie vier Außenelektronen.
In der Gitterstruktur sind fast alle Elektronen fest gebunden. Bei Zimmertemperatur hat reines Silicium lediglich ein freies Elektron auf 100 Millionen Siliciumatome. Dem entsprechend ist die Leitfähigkeit bei Normaltemperatur sehr gering.
Das Ausgangsmaterial bei der Dotierung ist in der Regel ein Element der vierten Hauptgruppe. Diese Elemente haben vier Elektronen auf der Außenschale. Bei Raumtemperatur haben sie nur wenig freie Elektronen und leiten Strom dementsprechend schlecht.
In Abbildung 1 siehst Du ein undotiertes Siliciumgitter.
Abbildung 1: Modell eines Siliciumsalzgitters
Die Elektronen am Rand der Abbildung kommen übrigens aus einem größeren Gitter. Du kannst dir vorstellen, dass dies nur ein kleiner Ausschnitt eines Siliciumgitters ist und es über den Rand hinweg genau so fortgesetzt wird.
Die Siliciumatome erkennst Du an dem Elementsymbol Si. Sie sind mit einem Kreis umrandet, welches den Kern des Atoms darstellen soll. Außerhalb des Kerns kannst Du außerdem blaue Punkte erkennen. Das sind die Elektronen. Der durchgezogene Strich zu einem Siliciumatom zeigt, von welchem Atom diese Elektronen stammen. Zwei benachbarte Elektronen sind in einer Elektronenbindung miteinander verbunden.
Zwei Elektronen verschiedener Atome können eine Bindung eingehen. Diese Elektronen sind dann gebunden. Freie Elektronen haben keinen Bindungspartner und können sich, mit wenig Energieaufwand, von ihrem Atom lösen und sich dann frei bewegen. Gebundene Elektronen können auch zu freien Elektronen werden, wenn einem System genug Energie, etwa Wärme, zugefügt wird. Dabei lösen sich die Elektronen aus den Bindungen heraus.
Das Ausgangselement bei der Dotierung ist also ein vierwertiges Element wie Silicium oder Germanium. Sie haben bei Normaltemperatur eine geringe Leitfähigkeit. Normaltemperatur bedeutet im Grunde bei Raumtemperatur, also ca. 25 °C. Dies sollen die Fremdatome ändern.
Wenn Du noch mal genauer nachschauen willst wie Leiter generell funktionieren und was mit der Temperaturabhängigkeit von Halbleitern auf sich hat, schau dir am besten den passenden Artikel zu Leitern an.
Fremdatome, welche in die Gitterstruktur eingesetzt werden, sind entweder dreiwertig oder fünfwertig. Dreiwertig bedeutet, dass diese Atome drei Außenelektronen haben. Fünfwertig bedeutet, dass diese Atome fünf Außenelektronen haben.
Dreiwertige Atome, die infrage kommen, sind zum Beispiel Bor, Aluminium und Indium. Dabei ist Bor hierfür das relevanteste Element.
Mögliche fünfwertige Atome sind zum Beispiel Phosphor, Arsen und Antimon. Dabei ist Phosphor hierfür das relevanteste Element.
Die Fremdatome bei der Dotierung weichen in der Regel um ein Elektron auf der Außenschale gegenüber des Ausgangselements ab. Für Ausgangselemente der vierten Hauptgruppe kommen also Elemente der dritten oder fünften Hauptgruppe infrage.
Weitere Informationen zu Elementen und deren Elektronen findest Du unter dem Kapitel Atommodelle.
Der Unterschied liegt also bei den Außenelektronen. Aber wie funktioniert ein Halbleiter eigentlich?
Dotierung Halbleiter
Halbleiter können auf zwei Art und Weisen leitfähig gemacht werden. Zum einen kann die Temperatur erhöht werden und zum anderen ist es die Dotierung. Durch die Dotierung wird die Konzentration der Ladungsträger im Halbleiter abgeändert. Ladungsträger sind im Grunde bewegliche Teilchen, die eine Ladung transportieren. Das nennt sich dann elektrischer Strom. Es gibt negative und positive Ladungsträger. Der Unterschied bei ihnen liegt dabei in der Elementarladung.
Negative Ladungsträger sind negativ geladen. Das können entweder freie Elektronen sein oder Atome, die ein Elektron zu viel haben. Diese Atome sind die sogenannten Anionen.
Positive Ladungsträger sind positiv geladen. Das sind dann entweder Protonen oder Atome, welchen Elektronen fehlen. Diese Atome werden als Kationen bezeichnet.
Die postiven Ladungsträger haben bei den Halbleitern noch eine andere Bezeichnung. Dazu gibt es gleich mehr.
In Halbleitern können negative oder positive Ladungsträger eingebaut werden. Mit der Unterscheidung der Ladungsträger wird auch zwischen den Dotierungen unterschieden.
Die Dotierung verändert die Konzentration der Ladungsträger im Halbleiter. Es können positive oder negative Ladungsträger eingebaut werden. Mit dieser Unterscheidung wird auch zwischen den Dotierarten unterschieden.
Welche Teilchen das sind und was es mit den unterschiedlichen Dotierungsarten auf sich hat, erfährst du in den nächsten beiden Abschnitten.
n-Dotierung
Bei der n-Dotierung wird die Konzentration der negativen Ladungsträger erhöht. Dabei werden Elemente benutzt, die mehr Außenelektronen besitzen als das Ausgangselement.
Wenn vom vierwertigen Silicium ausgegangen wird, muss bei der n-Dotierung ein fünfwertiges Element wie Phosphor benutzt werden. Diese Elemente mit mehr Außenelektronen werden als Donatoren bezeichnet. Das kommt daher, dass das zusätzliche Elektron im Halbleiter frei beweglich ist.
In Abbildung 2 siehst Du eine Zeichnung eines dotierten Siliciumgitters, in das ein Phosphoratom eingebaut wurde.
Abb. 2 - Ausschnitt eines mit Phosphor n-dotierten Siliciumkristalls. Das freie Elektron wurde grün markiert.
Das Phosphoratom kannst Du hier an dem Elementsymbol Ph erkennen. Dieses hat ebenfalls vier gebundene Elektronen. Das zusätzliche, ungebundene, Elektron vom Phosphor ist hier grün dargestellt und nicht gebunden. Es ist schon bei Normaltemperatur frei beweglich. Diese Elektronen sind hier die Ladungsträger.
Das Phosphoeratom ist fest im Gitter installiert. Wenn sich das ungebundene Elektron nun vom ihm löst, hinterlässt es eine unbewegliche positive Ladung.
In Abbildung 3 siehst du eine Zeichnung dazu.
Abb. 3 - Zeichnung eines mit Phosphor n-dotierten Siliciumkristalls. Das freie Elektron bewegt sich im Gitter und hinterlässt eine unbewegliche positive Ladung am Phosphor.
Wenn nun an dem fertig dotierten Halbleiter eine Spannung angelegt wird, fließt ein Strom. Somit wandern die Elektronen durch den Halbleiter Richtung Pluspol.
Wie schaut es nun bei der p-Dotierung aus?
p-Dotierung
Bei der p-Dotierung wird die Konzentration der positiven Ladungsträger erhöht. Hier werden Elemente benutzt, die weniger Außenelektronen besitzen als das Ausgangselement.
Wenn vom vierwertigen Silicium ausgegangen wird, muss bei der p-Dotierung ein dreiwertiges Element wie Bor benutzt werden. Diese Elemente mit weniger Außenelektronen werden als Akzeptoren bezeichnet. Das kommt daher, weil durch das fehlende Elektron im Halbleiter Elektronen für eine Elektronenbindung fehlen. Diese Stellen im Gitter werden Löcher oder Defektelektronen genannt.
In Abbildung 4 siehst Du eine Zeichnung eines dotierten Siliziumgitters, in das ein Boratom eingebaut wurde.
Abb. 4 - Gitter eines mit Bor p-dotierten Siliciumkristalls. Das Defektelektron ist rot markiert. Beachte, dass das Defektelektron an sich kein Teilchen ist. Die Markierung soll nur eine Hilfe darstellen. Sie soll zeigen, dass sich an dieser Stelle ein fremdes Elektron einsetzen kann.
Das Boratom kannst Du hier an dem Elementsymbol B erkennen. Dieses hat anders als der Phosphor nur drei Elektronen auf der Außenschale, die gebunden werden können. Durch das fehlende Elektron kann keine vierte Bindung mit den benachbarten Siliciumatomen hergestellt werden. Hier entsteht das Loch, oder Defektelektron. Schon bei Normatemperatur können sich Elektronen des Ausgangselements in das Loch setzen.
Wie das theoretisch aussieht, kannst Du in Abbildung 5 erkennen.
Abb. 5 - Ein Elektron eines Siliciumatoms hat sich in das Defektelektron des Boratoms gesetzt. Das Boratom ist somit negativ geladen. Diese Ladung ist fest im Gitter verbaut. Bei dem Siliciumatom ist ein neues Loch entstanden. Weiterhin ist es positiv geladen.
Wenn nun an dem fertig dotierten Halbleiter eine Spannung angelegt wird, fließt erneut ein Strom. Wie oben beschrieben wandern die Elektronen des Ausgangselements in die neu eingebauten Löcher. Dadurch hinterlassen sie wiederum selbst Löcher.
Die so entstandenen Löcher sind positiv geladen. Außerdem sind sie frei beweglich, weil weitere Elektronen von benachbarten Siliciumatomen in diese Löcher rein wandern können. Die Löcher wandern in die entgegengesetzte Richtung der Elektronenwanderung. Sie sind hier die Ladungsträger.
Die eingebauten Atome haben in diesem Fall ein Elektron "akzeptiert" und sind negativ geladen. Diese negativen Ladungen sind fest im Gitter eingebaut.
Dotierung Bändermodell
Die zwei Arten der Dotierung bringen den Halbleiter in jedem Fall dazu, Strom zu leiten. Jedoch sind die Gründe dafür unterschiedlich. Wodurch kommt das?
In Abbildung 6 kannst Du sehen, wie das Bändermodell eines Halbleiters aussieht.
Abb. 6 - Bändermodell eines undotierten Halbleiters.
Das Valenzband des Halbleiters ist von dem Leitungsband durch eine Bandlücke getrennt, welche das Leiten von Strom beeinflusst. Je größer die Bandlücke ist, desto schwieriger wird es für ein Material, Strom zu leiten.
In Abbildung 7 kannst Du die beiden Bändermodelle der dotierten Halbleiter betrachten.
Abb. 7 - Bändermodell eines n- und p-Halbleiters. Bei dem n-Halbleiter befindet sich das Elektron des Dotieratoms auf dem sogenannten Donatorniveau. Bei dem p-Halbleiter befindet sich das Defektelektron des Dotieratoms auf einem Akzeptorniveau.
Das Dotieratom hat ein anderes Energieniveau als das Ausgangselement des Halbleiters. Dieses Energieniveau befindet sich in der Bänderlücke des Halbleiters.
Bei einem n-Halbleiter befindet sich das Energieniveau in der Nähe des Leitungsbandes und heißt Donatorniveau. Wie oben beschrieben steht durch das fünfwertige Dotieratom ein freies Elektron zur Verfügung. Da das Elektron nicht gebunden ist, besitzt dieses eine geringere Bindungsenergie. Deshalb kann es mit vergleichsweise wenig Energie in das Leitungsband gehoben werden.
Elektronen im Leitungsband können sich im Material frei bewegen und Energie transportieren. Dadurch wird der Halbleiter leitfähig.
Ein Beispiel dafür siehst Du in Abbildung 8.
Abb. 8: Bändermodell eines n-dotierten Halbleiters bei Energiezufuhr. Das Elektron wurde vom Donatorniveau auf das Leitungsband gehoben. Es hinterlässt eine ortsfeste positive Ladung am Dotieratom. Beachte, dass die Energie bei Normaltemperatur dafür ausreicht.
Bei einem p-Halbleiter befindet sich das Energieniveau in der Nähe des Valenzbandes und heißt Akzeptorniveau. Wie oben beschrieben steht durch das dreiwertige Dotierelement ein Loch zur Verfügung. Auch hier ist die Bindungsenergie des Valenzbandes zu dem Akzeptorniveau gering. Das Loch kann also mit vergleichsweise wenig Energie durch ein Elektron aus dem Valenzband besetzt werden.
Durch die positiven Ladungen im Valenzband, beziehungsweise Löcher, kann Energie transportiert werden. Der Halbleiter ist somit leitfähig.
Wie das ausschaut siehst Du in Abbildung 9.
Abb. 9: Bändermodell eines p-dotierten Halbleiters bei Energiezufuhr. Ein Elektron aus dem Valenzband wurde auf das Akzeptorniveau des Defektelektrons gehoben. Es erzeugt eine ortsfeste negative Ladung am Dotieratom und hinterlässt ein Loch im Valenzband. Beachte, dass die Energie bei Normaltemperatur dafür ausreicht.
Die Energieniveaus der Dotierelemente sind so gering, dass die jeweiligen Elektronen schon bei Normaltemperatur mit den korrespondierenden Bändern interagieren können. Dadurch werden die Dotieratome ionisiert und bewegliche Ladungsträger im Leitungs- sowie im Valenzband erzeugt. Diese Ladungsträger können Energie transportieren, wodurch der Halbleiter leitfähig gemacht wurde.
Wenn Du dich noch mal genauer mit dem Bändermodell beschäftigen möchtest, dass schau doch mal am besten in den Artikel zur Funktionsweise einer Diode (Bändermodell) rein.
Bisher konntest Du erfahren, was die Dotierung ist, was dafür verwendet wird und zum großen Teil auch, warum überhaupt dotiert wird. Ein großer Teil des "Warum" ist aber auch die Anwendung im Alltag.
Bedeutung der Dotierung im Alltag
In diesem Abschnitt lernst Du, wo Du die Dotierung im Alltag finden kannst. Zuletzt lernst Du noch ein paar Dotierverfahren kennen.
Dotierung Solarzelle
Solarzellen sind eine der vielfältigen Methoden, um eine Form der Energie in elektrischen Strom umzuwandeln. Das Ausgangsmaterial der Solarzellen ist Silicium. Bei der Herstellung der Zellen werden die Siliciumscheiben leitfähiger gemacht.
Die sonnenzugewandte Schicht wird n-dotiert. Dafür werden die Elemente Phosphor, Arsen oder Antimon in Frage.
Die sonnenabgewandte Schicht wird p-dotiert. Dafür wird Aluminium, Bor, Indium oder Gallium verwendet.
Wenn Du mehr über die Solarzelle erfahren willst oder generell, wie sich die Menschen die Energie der Sonne zunutze machen, schaue am besten im Artikel zu Solarkraftwerken rein.
Die Anwendungsformen der Dotierung findest Du möglicherweise aber auch ganz in deiner Nähe.
Dotierung Handy und Computer
Wie am Anfang des Artikels bereits erwähnt, findest Du die Dotierung beispielsweise auch in Handys oder Computern. In diesen technischen Wunderwerken sind nämlich Transistoren verbaut. Um Transistoren zu bauen, werden dotierte Halbleiter benötigt.
Tatsächlich funktioniert keine moderne Technik mehr ohne Transistoren. In günstigeren Handys sind bereits 150 Milliarden Transistoren verbaut. Ein CPU eines heutigen Computers benötigt ungefähr 500 Millionen Transistoren. Sie dienen hauptsächlich als Schalter, um den Stromfluss zu regulieren. Dadurch kann ein Computer gezielte Rechenoperationen an und ausschalten.
Mehr zu Transistoren findest Du in dem gleichnamigen Artikel von uns dazu.
Zum Schluss kannst Du im folgenden Abschnitt noch die Verfahren der Dotierung kennenlernen.
Halbleiter Dotierung Verfahren
Für die Dotierung kommen zurzeit vier Verfahren infrage.
Legierung
Hier wird der Halbleiter zunächst gezielt teilweise aufgelöst. Dabei wird eine Metall-Halbleiter-Schmelze erzeugt, welche hinterher wieder auskristallisiert wird.
Diffusion
Die Diffusion beschreibt einen thermisch aktiven Ausgleichsprozess unterschiedlicher Konzentrationen von Teilchen. Diese Prozesse können in Festkörpern, in Flüssigkeiten oder in Gasen stattfinden. Weiterhin findet dieser Prozess ohne weitere äußere Einwirkungen statt.
Die Fremdatome diffundieren als Gas und bei erhöhter Temperatur durch das Gitter des Ausgangselements. Dabei bewegen sie sich hauptsächlich über Zwischengitterdiffusion oder Leerstellendiffusion fort. Bei der Zwischengitterdiffusion bewegen sich die Fremdatome zwischen den Atomen des Ausgangselements im Gitter. Bei der Leerstellendiffusion besetzen sie leer stehende Fehlstellen im Gitter. Selten können die Fremdatome auch mit Atomen des Ausgangsmaterials die Plätze tauschen.
Um die Dotierung abzuschließen, wird der Halbleiter abrupt abgekühlt. Dadurch wird die Dotierverteilung sozusagen eingefroren. Die Konzentrationen ändern sich danach nicht mehr sonderlich.
Für mehr Informationen zur Diffusion kannst Du im gleichnamigen Artikel von und nachschauen.
Ionenimplantation
Bei dieser Methode werden geladene Fremdatome beschleunigt und auf das Ziel gelenkt. Diese Fremdatome, oder Ionen, dringen dann in das Zielmaterial ein. Es kommt zu Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Atomkernen. Die Fremdatome werden in dem Zielmaterial eingeschlossen, wobei es zu elastischen und unelastischen Stößen kommt. Diese Stöße brechen die Bindungen der Atome im Zielmaterial auf.
Neutronen initiierten Kerntransmutation
Hier wird das zu dotierende Material mit Neutronen bestrahlt. Die Neutronen lagern sich dann an den Atomen des Hauptmaterials an. Dadurch wird die Massenzahl einiger Atome erhöht. Das kann dann zu stabilen oder instabilen Atomkernen führen. Die instabilen Kerne zerfallen dann in Isotope eines anderen Elements. Isotope sind Elemente mit einer abweichenden Massezahl.
Mehr zu Isotopen findest du in dem entsprechenden Artikel von uns.
Dotierung - Das Wichtigste
- Die Gitterstruktur von Halbleiterkristallen wird gezielt modifiziert. Fremdatome, oder auch Störstellen, werden dem Gitter hinzugefügt.
- elektrische Eigenschaften des Materials verändern sich
- Zur Herstellung von Halbleitern werden die Elemente Silicium und Germanium verwendet. Diese Elemente gehören der vierten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente an. Demnach haben sie vier Außenelektronen.
- Fremdatome sind entweder dreiwertig oder fünfwertig.
- Dreiwertige Atome sind zum Beispiel Bor, Aluminium und Indium.
- Mögliche fünfwertige Atome sind zum Beispiel Phosphor, Arsen und Antimon.
- Dreiwertige Atome haben drei, wobei fünfwertige Atome fünf Außenelektronen besitzen.
- Die Dotierung verändert die Konzentration der Ladungsträger im Halbleiter. Es können positive oder negative Ladungsträger eingebaut werden.
- Bei der n-Dotierung werden Elemente mit mehr Außenelektronen als das Ausgangselement benutzt. Sie werden als Donatoren bezeichnet. Das zusätzliche Elektron im Halbleiter ist frei beweglich. Diese freien Elektronen sind hier die Ladungsträger.
- Bei der p-Dotierung werden Elemente mit weniger Außenelektronen als das Ausgangselement benutzt. Diese Elemente werden Akzeptoren genannt. Durch das fehlende Elektron wird eine Bindung im Gitter weniger eingegangen. Diese Stellen werden Löcher oder Defektelektronen genannt.
- Wenn das Loch des Dotieratoms besetzt wurde, entsteht ein neues Loch. In dieses Loch kann sich erneut ein freies Elektron reinsetzen. Diese Löcher sind frei beweglich und somit die Ladungsträger.
- Im Bändermodell haben die Dotieratome ein Energieniveau in der Bandlücke.
- Mit wenig Energie können die Dotieratome ionisiert werden.
- Elektronen im Leitungsband und Löcher im Valenzband sind beweglich und können Ladung transportieren.
- Zur Dotierung werden vier Verfahren benutzt: Legierung, Diffusion, Ionenimplantation, Neutronen initiierte Kerntransmutation
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