2.4 Festkörperdetektoren

168 2 Strahlungsdetektoren
Dotierung von Halbleitern: Die wichtigsten Halbleitermaterialien, Germanium und Silizium,
sind 4-wertige Elemente und durch vier kovalente Bindungen an die Nachbaratome im Kristall ge-
bunden. Ersetzt man einzelne Atome dieser beiden Elemente durch 5-wertige Substanzen wie Phos-
phor, Antimon oder Arsen, so wird das Fremdatom zwar regulär eingefügt, das fünfte Elektron wird
jedoch nicht zur Kristallbindung benötigt. Dieses Elektron wird vom Spenderatom, dem Donator,
an den Kristall abgegeben. Wegen des Überschusses an negativen Ladungen werden mit Donatoren
dotierte Halbleiter als Überschuß-Halbleiter bezeichnet. In der Bandlücke entsteht ein mit dem
überzähligen Elektron besetztes Zwischenniveau. Es wird als Donatorniveau bezeichnet und be-
findet sich in
einem Energieabstand von weniger als 0.1 eV zum Leitungsband. Das Donatorelektron kann ther-
misch leicht aus diesem Zustand befreit werden und ist dann frei im Kristall beweglich. Das Dona-
toratom bleibt dagegen ortsfest und trägt eine nicht abgesättigte positive Ladung. Wegen der nega-
tiven Ladung der so geschaffenen freien Elektronen nennt man die auf diese Weise dotierten Halb-
leiter
Fig. 2.14: Vorgänge im Halbleiterkristall bei der Dotierung. (a): Reiner Halbleiter mit einem Bandabstand
von etwa 1 eV. (b): Erzeugung eines n-Halbleiters durch Dotierung mit einer
5-wertigen Substanz. Das Donatorniveau D befindet sich unmittelbar unter dem Leitungsband
Nach thermischer Anregung des Elektrons ins Leitungsband mit nur 0.1 eV bleibt ein
ortsfester positiv geladener Donatorplatz und ein im Leitungsband bewegliches Elektron
zurück. (c): Erzeugung eines p-Halbleiters durch Dotierung mit einer 3-wertigen Substanz.
Thermische Anregung eines Elektrons aus dem Valenzband in das Akzeptorniveau A erzeugt
einen ortsfesten, negativ geladenen Akzeptorplatz und ein bewegliches Loch im Valenzband.
Die n- und p-Leitfähigkeit übertrifft die Eigenleitfähigkeit des Halbleiters.
n-leitend.
Dotiert man dagegen mit 3-wertigen Fremdatomen wie Aluminium, Bor, Gallium oder Indium, den
sogenannten Akzeptoren, so fehlt ein Elektron für eine ausreichend abgesättigte Bindung, das von
diesen Akzeptoren deshalb dem Kristall entzogen wird. Etwa 0.1 eV oberhalb des Valenzbandes
entsteht in Analogie zum n-Halbleiter ein Lochzustand, das sogenannte Akzeptorniveau. Wird