Wie wirkt sich das Dotieren auf die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern aus?

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3 Antworten

Sehr ähnlich wie in der Chemie das Ansäuern bzw. Alkalisieren von Wasser.

Das Produkt der Konzentrationen von H₃O⁺-Ionen und OH⁻-Ionen ist bei konstanter Temperatur konstant, ebenso ist das Produkt der Dichten von Elektronen und Löchern bei konstanter Temperatur konstant.

(Im Wasser gehen spontan Wasserstoffionen von einem Wassermolekül auf ein anderes über und im Halbleiter springen Elektronen spontan vom "Valenzband" nach oben in das "Leitungsband".)

Bei Neutralität sind beide Konzentrationen/Dichten gleich groß und die Summe der Konzentrationen/Dichten nimmt ein Minimum an, damit ist auch die Leitfähigkeit minimal.

Je weiter man vom Neutralpunkt weggeht, desto größer wird die Summe und desto höher die elektrische Leitfähigkeit.

Ähnlich wie die Ionenbeweglichkeiten der Wasserionen unterschiedlich zu sein scheinen (hab bei einer oberflächlichen Suche nur was gefunden, wo sich die Leute selber nicht sicher sind, welche Ionenart die höhere Beweglichkeit hat), so sind die Beweglichkeiten von Überschusselektronen und Löchern ("Defektelektronen") unterschiedlich.

Hier ist allerdings regelmäßig die Beweglichkeit der Elektronen deutlich größer als die der Löcher. D. h. n-dotierte Halbleiter haben bei gleichem Dotierungsanteil eine höhere Leitfähigkeit als p-dotierte.

Durch umgekehrtes Dotieren kann man die Wirkung der Dotierung wieder aufheben. (Es bleibt nur eine geringe Zunahme der Leitfähigkeit durch die größere Zahl der Kristallfehlstellen.) Bei noch stärkerer umgekehrter Dotierung kann man die Wirkung auch umkehren; jetzt steigt die Leitfähigkeit wieder, aber mit der anderen Art von vorherrschenden Ladungsträgern.

Durch die überschüssigen und fehlenden Elektronen ändert sich die Obergrenze der Elektronenenergie im Halbleiter (Fermi-Niveau).

Bei Kontakt mit Metallen oder anders dotierten Halbleitern entsteht eine "Kontaktspannung" und eine "Grenzschicht", wo sich die verschiedenen Fermi-Niveaus beider Seiten angleichen und dadurch die Elektronen auf eine Seite der Grenzschicht und die Löcher auf die andere Seite verschoben werden. (Dadurch entsteht eine Diode und eine "parasitäre" Kapazität, die aber in der Kapazitätsdiode genutzt wird)

Die "effektive Masse" der Elektronen und noch viel mehr die der Löcher im Halbleiter ist interessant, führt aber wohl aus der Fragestellung hinaus.

Die elektrische Neutralität nach außen wird durch die Dotierung selbstverständlich nicht geändert.

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Kommentar von schimmelmund
25.01.2016, 21:02

Ja was es mit dotieren auf sich hat ist mir mittlerweile klar. Nur möchte ich eben kurz erklärt haben wie sich das dotieren auf die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern auswirkt.

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Naja, man kann einen Halbleiter positiv oder negativ dotieren (p- und n-dotiert) 

Ist er positiv fehlt ein Elektron und ist er negativ dann ist eines zuviel im Gitter. 

Dotiert werden immer nur Kristalle die nicht leiten. Silizium ist ein solcher Kristall und durch die Dotierung wird er an der Stelle leitend - deshalb auch Halbleiter genannt. 

Man kann die Leitfähigkeit allerdings nicht mit zB. Metalle vergleichen. Der Widerstand ist immer noch wahnsinnig hoch, kann bei mikroskopischen Entfernungen aber (fast) vernachlässigt werden. 

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Wozu braucht man das? Bei winzig kleinen Schaltkreisen! Unsere Schaltkreise sind mittlerweile so klein dass man unmöglich Kabel zwischen einzelnen Bauteilen verlegen könnte. Ein Prozessor hat Milliarden von Transistoren und die sind alle irgendwie verschaltet. Stelle dir mal vor man müsste Milliarden Mini-Kabel verlegen, das geht nicht. 

Es gibt zwas Min-Kabal - Nano-Bonds genannt - aber die benutzt man nur sehr vereinzelt. 

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Kommentar von Bujin
25.01.2016, 19:38

Ops, ich meinte "nanowire bonds" nicht "nano bonds" - Also eine Nanodraht-Verbindung. 

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Kommentar von Bujin
25.01.2016, 19:49

Wozu braucht man n- und p-Dotierungen? Reicht nicht nur eine? 

Es gibt eine Besonderheit wenn man einen n- und einen p-dotierten Halbleiter zusammendrückt. Der eine hat zuviel der andere zu wenige Elektronen was bedeutet dass sie sich gegenseitig ausgleichen! (Rekombination)

Die Zone in der sie sich ausgleichen (Raumlandungszone) wird immer größer und ist quasi wieder nichtleitend. Ab einer gewissen Größe hört sie auf zu wachsen weil die Elektronen nicht mehr so weit hüpfen können. 

Wie du dir vielleicht vorstellen kann können die Elektronen nur von Minus nach Plus hüpfen weil die n-Dotierung zu viele Elektronen hat. Legst du eine Spannung an gibst du den Elektronen mehr Energie und sie können rüber hüpfen, aber eben nur in eine Richtung. Das nennt man eine Diode. 

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Durchbruchspannung und Sperrschichtkapazität werden von der Dotierung beeinflusst. Dazu natürlich auch der Serienwiderstand von Bauteilen.

Niedrige Dotierung => hohe Sperrspannung, kleine Sperrschichtkapazität, jedoch hoher spez. Bahnwiderstand

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