Dotierung: n-/p-Leitung

In der Chemie gilt Reinheit als Ziel. In der Halbleitertechnik stellt man erst höchstreines Silizium her — und verunreinigt es dann mit größter Sorgfalt.

• Das Problem:Reines Silizium hat viel zu wenige Ladungsträger, und deren Anzahl hängt vollständig von der Temperatur ab.
• Die Lösung:Seit den 1940er-Jahren baut man gezielt einzelne Fremdatome mit einer bestimmten Zahl von Außenelektronen ins Kristallgitter ein.
• Dotieren:So heißt dieses Verfahren — die Fremdatome liefern Ladungsträger, die auch ohne Wärme vorhanden sind.
• Wie winzig:Ein Fremdatom auf eine Million Siliziumatome — das ist ein einziger Mensch in einer Großstadt wie Köln, und der entscheidet, ob das Material leitet.

Alles hängt daran, ob das Fremdatom ein Außenelektron zu viel oder eines zu wenig mitbringt.

Was beim Dotieren passiert

Ein Fremdatom wird an Stelle eines Siliziumatoms ins Gitter eingebaut — nicht dazwischengeschoben.

• Vier Bindungen:Das Fremdatom muss die vier Bindungen zu den Nachbarn bedienen; ob das gelingt, hängt an seiner Zahl der Außenelektronen.
• Dotierungsstärke:Typisch ist ein Fremdatom auf 10 Millionen bis auf eine Million Siliziumatome.
• Große Wirkung:Das erhöht die Leitfähigkeit um mehrere Zehnerpotenzen, weil der reine Kristall fast gar keine freien Ladungsträger hat.

n-Dotierung: ein Elektron bleibt übrig

Man verwendet fünfwertige Atome mit fünf Außenelektronen: Phosphor oder Arsen.

• Eines bleibt übrig:Vier Elektronen gehen normale Bindungen mit den Siliziumnachbarn ein, das fünfte findet keinen Partner.
• Leicht ablösbar:Schon ein winziger Energiebetrag — viel weniger als die 1,1 eV der Bandlücke — macht es frei; bei Zimmertemperatur sind praktisch alle frei.
• Donatoren:So heißen die fünfwertigen Fremdatome (Spender).
• n-Leitung:Elektronen sind die Majoritätsladungsträger, die Löcher aus der Eigenleitung bleiben winzige Minderheit (n wie negativ).

p-Dotierung: eine Bindung bleibt offen

Jetzt umgekehrt: dreiwertige Atome mit nur drei Außenelektronen — Bor, Aluminium oder Gallium.

• Bindung bleibt offen:Nur drei der vier nötigen Bindungen entstehen; in der vierten fehlt ein Elektron — genau das aus der Eigenleitung bekannte Loch.
• Loch wandert:Ein Nachbarelektron rückt leicht nach; anders als bei der Eigenleitung stammt das Loch hier vom Fremdatom, nicht von der Wärme.
• Akzeptoren:So heißen die dreiwertigen Fremdatome (Aufnehmer), weil sie ein Elektron aufnehmen können.
• p-Leitung:Löcher sind die Majoritätsladungsträger, die wenigen freien Elektronen die Minderheit (p wie positiv).

Der wichtigste Merksatz: der Kristall bleibt neutral

Hier passiert der häufigste Denkfehler des Kapitels: „n-dotiert“ klingt nach „negativ geladen“ — ist es aber nicht.

• Phosphor:Bringt ein Elektron mehr mit, aber auch ein Proton mehr im Kern — das Atom als Ganzes ist neutral.
• Nach der Ablösung:Am Ort des Phosphors bleibt ein fest eingebauter positiver Rumpf, beweglich ist die negative Ladung. Zusammen: null.
• Bor:Ein Elektron weniger, ein Proton weniger; rückt ein Nachbarelektron nach, wird der Rumpf negativ und das positive Loch wandert davon — in der Summe wieder null.

Was man damit gewonnen hat

• Viel mehr Ladungsträger:Schon eine schwache Dotierung erhöht die Leitfähigkeit um mehrere Zehnerpotenzen.
• Einstellbarkeit:Über die Menge der Fremdatome legt man den Widerstand gezielt fest — das geht bei keinem Metall.
• Unabhängig von der Wärme:Die Ladungsträger der Dotierung sind schon bei Zimmertemperatur da und überdecken die schwankende Eigenleitung.
• Zwei Materialsorten:Erst weil es n- und p-Material gibt, kann man beide zusammenbringen — daraus entsteht die Diode.

Hier baust du selbst: Ein Fremdatom ersetzt jeweils ein Siliziumatom im Gitter. Beim fünfwertigen Phosphor entsteht ein überzähliges Elektron, beim dreiwertigen Bor eine offene Bindung mit einem Loch. Die Zähler und der Leitfähigkeitsbalken zeigen die Wirkung sofort.

Zwei Beobachtungen sind wichtig. Erstens bleibt die Anzeige „Gesamtladung: neutral“ immer stehen, egal wie viele Fremdatome du einbaust — jedes Fremdatom bringt seine eigene Kernladung mit. Zweitens brauchst du erstaunlich wenige Fremdatome, damit der Leitfähigkeitsbalken deutlich ausschlägt. Im echten Kristall genügt eines auf eine Million.

Drei Formulierungen, die in Arbeiten immer wieder falsch auftauchen.