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Dotierung und Störstellenleitung 07:36 min

Textversion des Videos

Transkript Dotierung und Störstellenleitung

Hallo. Solche Solaranlagen produzieren aus der Strahlung der Sonne elektrische Energie. Wie das funktioniert? Das verwendete Silizium wird dotiert. Was das ist, klären wir in diesem Video. Denn es geht um Dotierung und Störstellenleitung. Ich werde dir erklären, was Dotierung ist, was Akzeptoren und Donatoren sind, und wie n-Leitung und p-Leitung funktioniert. Am Ende werden wir einen Blick auf das Energieniveauschema bei Störstellenleitung werfen. Du weißt bereits, dass sehr reine Halbleiter wie zum Beispiel Silizium eine stark temperaturabhängige Leitfähigkeit haben. Für eine technische Nutzung sind reine Halbleiter mit ihrer relativ schwachen Eigenleitung nicht sehr nützlich. Man hat aber herausgefunden, dass eine Dotierung von Halbleitern deren Leitfähigkeit enorm erhöht und sie außerdem durch eine angelegte Spannung besser regelbar ist. Dotierte Halbleiter sind heutzutage aus technischen Anwendungen, wie solche Dioden oder Solarzellen, nicht mehr wegzudenken. Schauen wir uns also einmal an, was einen dotierten Halbleiter ausmacht. Was ist Dotierung? Betrachten wir dazu mal das Kristallgitter, also den atomaren Aufbau, von dem Halbleiter Silizium in einer Ebene. Jedes Siliziumatom hat vier Elektronen in der äußeren Schale, denn Silizium ist in der vierten Hauptgruppe im Periodensystem. Die Atome gehen untereinander eine atomare Bindung ein. Bei null Kelvin sind alle Elektronen an das Atom gebunden. Bei Zimmertemperatur kommt es im Halbleiter zu einer geringen Eigenleitung. Das heißt, einige Elektronenpaarbindungen brechen auf und es werden Elektronen frei. Die Leitfähigkeit wird erhöht, indem gezielt Atome eines anderen Stoffes, sogenannte Fremdatome, in das Kristallgitter eingebaut werden. Dieser kontrollierte Einbau wird Dotierung genannt. Mögliche Atome zur Dotierung von Silizium sind Elemente aus der dritten und der fünften Hauptgruppe, also zum Beispiel Phosphor- oder Boratome. Diese Fremdatome werden auch als Störstellen in dem Kristallgitter bezeichnet. Bereits ein Fremdatom auf circa 100000 Halbleiteratome reicht da schon aus, um die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur stark zu erhöhen. Warum sind aber ausgerechnet Phosphor und Bor so gut zum Dotieren geeignet? Das bringt uns zu den Begriffen der Donatoren und Akzeptoren. Phosphor ist ein Element der fünften Hauptgruppe. Das heißt, es hat fünf Elektronen in der äußeren Schale, eins mehr als Silizium. Werden Phosphoratome in das Siliziumgitter eingebaut, kann ein Elektron von Phosphor nicht gebunden werden. Es steht dann als freies Elektron für die Leitung zur Verfügung. Fremdatome, die eines ihrer Valenzelektronen abgeben, sind Donatoren. Umgekehrt geht das aber auch. Wird ein Element aus der dritten Hauptgruppe, also zum Beispiel Bor, in Silizium eingebaut, bleibt eine Bindung offen. Es entsteht also ein freies Loch, das dann zur elektrischen Leitung beitragen kann. Fremdatome, die ein Elektron aufnehmen können, sind Akzeptoren. Was ist jetzt unter den Begriffen n-Leitung und p-Leitung zu verstehen? Ganz einfach: Wir haben hier wieder unser mit Phosphor und mit Bor dotiertes Silizium. In dem mit dem Donator Phosphor dotierten Silizium ist die Elektronenkonzentration im Vergleich zur Löcherkonzentration erhöht. Die Elektronen tragen hauptsächlich zur Leitung bei. Sie werden deshalb Majoritätsladungsträger genannt. Die Löcher leisten nur einen geringen Beitrag zur Leitung. Sie sind deshalb die Minoritätsladungsträger. Wenn Elektronen bei der Leitung dominieren, spricht man von n-Leitung. Umgekehrt ist es bei Silizium, das mit dem Akzeptor Bor dotiert wurde. Hier ist die Löcherkonzentration im Vergleich zur Elektronenkonzentration erhöht. Nun sind die Löcher die Majoritätsladungsträger. Die Elektronen leisten nur einen geringen Beitrag zur Leitung und sind damit Minoritätsladungsträger. Bei der Leitung dominieren also die Löcher. Man spricht von p-Leitung. Beim Dotieren entstehen also Störstellen. Störstellenleitung wird die elektrische Leitung genannt, die auf den Störstellen beruht. Betrachten wir nun noch, auf welche Art und Weise Störstellen im Energieniveauschema zu erkennen sind. Wir haben also Valenzband und Leitungsband. Im Prinzip entspricht die Dotierung mit Donatoren oder Akzeptoren einem Hinzufügen von Energieniveaus. Donatoren geben Elektronen ab. Du kannst dir vorstellen, dass das übrige Elektron des Donators auf einem Energieniveau kurz unterhalb des Leitungsbands sitzt, dem Donatorniveau. Regt man das Elektron nur ein wenig thermisch an, kann es schon im Leitungsband zur n-Leitung beitragen. Akzeptoren nehmen Elektronen auf. Das Akzeptorniveau sitzt dementsprechend kurz oberhalb des Valenzbandes. Mit nur wenig thermischer Energie können Elektronen des Valenzbandes auf das Akzeptorniveau springen. Sie hinterlassen dann Löcher, die dann zur p-Leitung beitragen. Fassen wir nochmal zusammen: Dotierung ist ein gezieltes Einbauen von Fremdatomen oder Störstellen in reine Halbleiter. Halbleiter werden dotiert, um deren Leitfähigkeit zu erhöhen. Donatoren stellen ein Elektron im Leitungsband zur Verfügung. Akzeptoren nehmen ein Elektron aus dem Valenzband auf, sodass dort ein Loch entsteht. Tragen hauptsächlich Elektronen zur Leitung bei, heißt das n-Leitung, bei Löchern p-Leitung. Dotierung entspricht im Bändermodell einem Hinzufügen von Energieniveaus kurz über oder unter dem Valenz- und Leitungsband. Dotierte Halbleiter werden in Dioden und Solarzellen eingesetzt. Es werden dann Schichten mit n-dotierten und p-dotierten Halbleitern zusammengesetzt. So lässt sich zum Beispiel Strom gleichrichten oder Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln. Vielen Dank fürs Zuschauen und bis zum nächsten Mal.

1 Kommentar
  1. Sandra, ich wünschte, du wärest in meinen alten Zeiten am Gymnasium meine Physiklehrerin gewesen! Wenn man dir zuhört, geht einem auch in Punkto Halbleiterphysik ein Licht auf. Heute bin ich Privatlehrer und darf bestimmt auch dieses Thema einmal unterrichten - ich werde mir an deinen didaktischen Künsten ein Beispiel nehmen. Danke für dieses Video!!!

    Von Green Spirit, vor mehr als 5 Jahren

Dotierung und Störstellenleitung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Dotierung und Störstellenleitung kannst du es wiederholen und üben.

  • Benenne, warum der Halbleiter Halb-Leiter heißt.

    Tipps

    Was muss in Stoffen vorhanden sein, damit sie den Strom leiten ?

    Welche Stoffe haben mehr freie Ladungsträger: Halbleiter oder Leiter ?

    Lösung

    Halb-Leiter könnten auch Halb-Isolatoren genannt werden. Je nach Temperatur leiten sie elektrischen Strom mehr oder weniger gut.

  • Benenne den Grund für das Dotieren von Halbleiter-Materialien.

    Tipps

    Halbleiter sind bei Zimmertemperatur nur schwach leitend.

    Die Leitfähigkeit steigt mit der Menge freier Ladungsträger.

    Lösung

    Da Halbleiter bei Zimmertemperatur nur schwach leiten, können sie nur wenig freie Ladungsträger haben. Grund ist, dass alle Valenzelektronen im Kristallgitter gebunden sind. Man kann hier bewegliche Ladungsträger nur gewinnen, wenn man Atome ins Kristallgitter einbringt, die entweder mehr oder aber weniger Valenzelektronen haben als der Halbleiter. Diese Zugabe von Atomen mit anderer Elektronenkonfiguration in den Halbleiterkristall nennt man "Dotieren".

  • Schildere, welchen Effekt die Dotierung eines Halbleiterkristalls mit Atomen hat, die entweder ein Valenzelektron mehr oder eins weniger als die Atome des Kristalls haben.

    Tipps

    Reine Halbleiterkristalle sind durch regelmäßige Gitterstrukturen gekennzeichnet, die durch Elektronenpaarbindungen entstehen.

    In reinen Halbleiterkristallen sind alle Valenzelektronen in den Bindungen "gefesselt".

    Lösung

    Die regelmäßigen Gitterstrukturen von reinen Halbleiterkristallen werden durch (kovalente) Elektronenpaarbindungen gebildet. Da alle Atome dieselbe Anzahl von Valenzelektronen haben, können alle Valenzelektronen Bindungen konstituieren. So bleibt kein Valenzelektron frei. Durch den Einbau eines Atoms, das ein Valenzelektron weniger hat, kann eine Störstelle erzeugt werden, in die Elektronen aus Nachbarbindungen wandern können. Durch Einbau eines Atoms, das ein Valenzelektron mehr hat, kann ein bewegliches Elektron in den Verband "eingeschleust" werden. Die Dotierung hat eines der beiden Ergebnisse zum Ziel.

  • Erläutere, wie sich das Energieniveauschema bei einem dotierten Halbleiterkristall verändert.

    Tipps

    "Donator" kommt von lat. "donare": "geben".

    Ein Atom, das im Kristall Elektronen abgeben kann, hat mehr Schalen oder auf der äußersten Schale mehr Plätze besetzt.

    Das Fermi-Niveau eines Elektronensystems (wie des Atoms) bezeichnet das Energieniveau, bis zu dem alle Zustände besetzt sind.

    Lösung

    Hat ein Dotierungsatom ein Elektron mehr als die Kristallatome, ist es ein Donator und kann im gebundenen Zustand ein Elektron abgeben. Dieses Elektron besetzt ein Energieniveau nahe beim Leitungsband. Es kann also mit geringer Anregung quasi-frei werden und steht als Ladungsträger zur Verfügung.

    Hat ein Dotierungsatom ein Elektron weniger als die Kristallatome, nennt man es einen Akzeptor. Es kann im gebundenen Zustand noch ein Elektron aufnehmen. Diese freie Stelle ("Lücke") stellt ein Energieniveau etwas oberhalb des Valenzbandes dar. Es kann schon nach geringer Anregung von einem Elektron einer benachbarten Bindungsstelle besetzt werden.

  • Erkläre, wie das Dotieren mit einem Akzeptor-Atom die Leitfähigkeit eines Halbleiters verändert.

    Tipps

    Ersetzt ein Atom mit drei Valenzelektronen in einem Kristall aus Atomen mit vier Valenzelektronen eines dieser Atome, bleibt eine Lücke im Gitter zurück.

    Die Lücke ("Loch") kann von einem Elektron gefüllt werden, das quasi eine Elektron-Elektron-Paarbindung simuliert.

    In einem homogenen Kristallgitter können freie Elektronen nur aus (aufgebrochenen) Paarbindungen stammen.

    Freie Elektronen sind Ladungsträger.

    Lösung

    Atome mit vier Valenzelektronen bilden je vier kovalente Bindungen zu Nachbaratomen. Ein Atom mit nur drei Valenzelektronen lässt im Gitter eine Lücke. In diese können Elektronen aus benachbarten Bindungen wandern, die in ihrer alten Stelle eine Lücke hinterlassen usw. So gibt es quasi-freie Elektronen im Kristall.

  • Erkläre das Bändermodell des Halbleiterkristalls.

    Tipps

    Die Energieniveaus eines Atoms sind dessen stabile Zustände.

    Bei Annäherung von Atomen spalten sich die Energieniveaus durch Überlagerung auf.

    In einem Kristallgitter befinden sich viele Atome dicht nebeneinander. Die Energieniveaus spalten sich sehr fein und nicht gleichmäßig auf. Sie "verwischen" oder "verschmieren" zu einem Kontinuum.

    Das Verschmieren erfolgt stärker bei den äußeren Orbitalen, so dass Elektronen des Valenzbandes schon durch geringe thermische oder elektromagnetische Anregung quasi-frei werden und sich im Kristall bewegen können.

    Lösung

    Energieniveaus eines Atoms sind seine stabilen Zustände. Bei Annäherung von Atomen spalten sich die Energieniveaus durch Überlagerung auf. In einem Kristallgitter befinden sich viele Atome dicht nebeneinander. Die Energieniveaus spalten sich sehr fein und nicht gleichmäßig auf. Sie "verwischen" oder "verschmieren" zu einem Kontinuum. Das Verschmieren erfolgt stärker bei den äußeren Orbitalen, so dass Elektronen des Valenzbandes schon durch geringe thermische oder elektromagnetische Anregung quasi-frei werden und sich im Kristall bewegen können.