Strom aus Licht - Institut für naturwissenschaftliche Grundlagen

Kapitel 3: Physik der Halbleiter 24
Dotiert man einen Halbleiter mit dreiwertigen Atomen, baut man beispielsweise Boratome ein,
so fehlt ein Valenzelektron, um dieses mit seinen vier nächsten Nachbarn kovalent zu binden
(Fig. 3.4). Es besteht eine Bindungslücke, kurz: ein Loch.
Si
+14
-10
neutral
Si
+14
-10
neutral
Si
+14
-10
neutral
Si
+14
-10
neutral
Si
+14
-10
neutral
Si
+14
-10
neutral
Akzeptor
B
+5
-2
negativ
schwache Bindung
Si
+14
-10
neutral
Si
+14
-10
Loch
positiv
Si
+14
-10
neutral
Si
+14
-10
neutral
Si
+14
-10
neutral
Si
+14
-10
neutral
Si
+14
-10
neutral
Si
+14
-10
neutral
Fig. 3.4 Boratom als Akzeptor im Siliziumkristall. Die grauen Ringe um die weiss dargestellten
Atomkerne repräsentieren die Elektronenhüllen der Atomrümpfe. Die eingetragenen Zahlen
geben die Ladung an. Mit "neutral, positiv, negativ" wird angegeben, wie das zum jeweiligen
Atom gehörende Gebiet ("Atomgebiet") per Saldo geladen ist. Insgesamt ist der p-Halbleiter
elektrisch neutral, da die negativen Akzeptoren und die positiv geladenen "Atomgebiete" der
Löcher sich die Waage halten.
Wird dieses Loch von einem "Nachbarelektron" aufgefüllt, so hinterlässt dieses "Nachbarelektron"
an seinem Ursprungsort ein neues Loch. Auch Löcher sind beweglich! Durch eine
derartige Abwanderung eines Lochs wird das Ladungsgleichgewicht in der Umgebung des Boratoms
gestört. Das "Boratomgebiet" enthält ein Elektron zuviel und bildet eine "negativ geladene
Stelle" im Kristall. Das Loch bleibt ähnlich wie das "überflüssige" Valenzelektron beim Arsenatom
schwach an diese negativ geladene Stelle gebunden, kann sich aber auch relativ leicht von
dieser Stelle entfernen, um dann später irgenwann von einem anderen Loch wieder ersetzt zu
werden. Löcherwanderung in eine Richtung bedeutet aber nichts anderes als Elektronenwanderung
in entgegengesetzter Richtung. Da mit der Bewegung eines Lochs die Bewegung eines per
Saldo einfach positiv geladenen "Atomgebiets" verbunden ist, entspricht der Wanderung eines
Lochs die Wanderung einer positiven Ladung. Man spricht von Löcherleitung.
Veranschaulichung: Die Löcherwanderung ist analog zur "Wanderung" eines freien Platzes
in einer Sitzreihe im Kino: Das Aufrücken der Kinobesucher (Elektronen) beispielsweise nach
links führt dazu, dass der freie Platz (Loch) nach rechts wandert. Allerdings gibt es im Halbleiter
gleichzeitig Löcher und freie Elektronen nebeneinander.
Der Einbau dreiwertiger Fremdatome erzeugt also im Halbleiter die oben beschriebenen
Löcher. Da sie zumindest vorübergehend ein Elektron "importieren" und "beherbergen", nennt
man die eingebauten dreiwertigen Fremdatome Akzeptoren (Empfänger). Die Beweglichkeit der
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