IEKP-KA/2013-4 - Institut für Experimentelle Kernphysik - KIT

Energie
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14 3. Grundlagen
Leitungsband
Bandlücke
Leitungsband
Bandlücke
Leitungsband
Valenzband
Nichtleiter
Valenzband
Halbleiter
Valenzband
Leiter
Abbildung 3.2.: Bändermodell: Leitungs- und Valenzband bei Nichtleitern, Halbleitern
und Leitern. Bei Halbleitern können Elektronen durch Anregung die
Bandlücke überspringen und so das Material leitfähig machen. Grafik
nach [Lau13]
Typische Halbleitermaterialien sind die Elemente der vierten Hauptgruppe des Periodensystems
der Elemente. Diese Stoffe bilden Kristalle mit kovalenten Bindungen, wodurch
Elektronen mit relativ geringem Energieaufwand ins Leitungsband angeregt werden können.
Typische Vertreter dieser Stoffe sind Silizium, Germanium und Diamant (Kohlenstoff).
Es gibt jedoch auch weitere Halbleitermaterialien, teilweise bestehen sie auch mehreren
Stoffen der dritten und fünften Hauptgruppe (Verbindungshalbleiter) [Thu05].
Fremdatome in Halbleitermaterialien können durch Störstellen in der Bandstruktur erheblich
zur Konzentration der Ladungsträger beitragen [AM07]:
Intrinsiche Halbleiter sind Materialien, deren Kristallstruktur so rein ist, dass Störstellen
in vernachlässigbarem Maße zur Leitfähigkeit beitragen. Die Leitfähigkeit kommt dabei
durch Elektronen zustande, die in das Leitungsband angeregt werden. Sie hinterlassen
eine freie Position im Valenzband (Loch), wodurch die Ladungsträger im Valenzband
ebenfalls die Möglichkeit zur Bewegung erhalten. Die Zahl der Löcher ist gleich der Anzahl
Elektronen im Leitungsband.
Extrinsische Halbleiter verfügen über Fremdatome (Störstellen) im Kristall, die durch
zusätzliche Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) die Leitfähigkeit des Halbleiters maßgeblich
hervorrufen. Erzeugen die zusätzlichen Elektronen der Störstellen die Leitfähigkeit,
so werden die Fremdatome Donatoren genannt und der Halbleiter als n-leitend bezeichnet.
Wird die Leitfähigkeit von Löchern der Fremdatome hervorgerufen, so nennt
man die Störstellenatome Akzeptoren und der Typ des Halbleiters ist p-leitend.
3.3. Dotierung
Extrinsische Halbleiter lassen sich herstellen, indem gezielt Fremdatome in vergleichsweise
geringen Konzentrationen in die Kristallstruktur eines Stoffes eingebracht werden.
Dieser Vorgang wird Dotierung genannt. Dabei werden die globalen, besonders die chemischen
und kristallographischen Eingenschaften eines Materials nicht wesentlich beeinflusst
[Thu05].
Das Einbringen von Fremdatomen in einen reinen Halbleiter kann technisch realisiert
werden, indem man die Fremdatome bei hohen Temperaturen in den Kristall eindampft.
Eine weitere Möglichkeit ist die Ionen-Implantation. Dabei werden ionisierte Fremdatome
mit Energien zwischen 100 eV und 1 keV in den Kristall eingeschossen [Dem05].
Die Fremdatome können Gitteratome ersetzen, oder zusätzlich zwischen Gitteratomen