Diplomarbeit: Webbasiertes exploratives Tutorial zur Lehrveranstaltung EIS "Funktionsweise des MOS-Transistors"

Exkurs: Was ist ein Halbleiter und was bedeutet Dotieren?


 
   

Halbleiter


Energiezustände

Ein Halbleiter ist ein Stoff, der bei 0 Kelvin (-273,15 Grad Celsius)nicht leitet, weil im Leitungsband keine Elektronen vorhanden sind. Der Stoff verhält sich bei 0 K wie ein Isolator. Wird dem Stoff Energie zugeführt, z.B. durch Erhöhung der Temperatur, beginnt der Halbleiter zu leiten. Im Halbleiter wechseln dabei Elektronen ihren Energiezustand vom Valenzband zum Leitungsband. Durch diesen Wechsel entstehen Löcher im Valenzband. Ein Loch im Valenzband wird dann durch ein Nachbar-Elektron gefüllt, wobei erneut ein Loch entsteht. Somit kommt es im Valenzband zu einem Transport von positiver Ladung. Im Leitungsband existieren freie Elektronen (also negative Ladungsträger), die ebenfalls für einen Ladungstransport zu Verfügung stehen. Bei Zimmertemperatur weist der Halbleiter eine geringe Leitfähigkeit auf.

Es existieren verschiedene Halbleiter, wie z.B. Bor, Schwefel, Selen und Tellur. In der Mikroelektronik werden allerdings hauptsächlich Silizium, Germanium und Gallium-Arsenid eingesetzt. Gallium- Arsenid bietet gegenüber den anderen Stoffe den Vorteil, daß es eine höhere Elektronenbeweglichkeit aufweist und daher besser leitet. Aus Kosten- und Stabilitätsgründen wird es jedoch nur in ca. 5% aller Schaltungen eingesetzt. Da meist die Kosten der wichtigste Faktor bei der Produktion sind, wird in 90% aller Schaltungen Silizium eingesetzt. "Silizium existiert wie Sand am Meer :)"

 

Halbleiterkristall


Siliziumkristall (rote Kugeln = Elektronen, grüne Kugeln = Atome)

Im Silizium-Kristall sind die Atome in einem regelmäßigen Gitter angeordnet. Jedes Atom besitzt vier Elektronen in der äußeren Schale, die mit jeweils einem Elektron des Nachbar-Atoms eine Elektronenpaarbindung eingehen.

Es kann ein Elektronen-Loch-Paar erzeugt werden, indem dem Kristall Energie zugeführt wird, z.B. durch Temperatur-Erhöhung. Durch die Zuführung von Energie löst sich ein Elektron aus der festen Verbindung und hinterläßt ein Loch. Das Elektron und das Loch würden dann zum Ladungstransport zur Verfügung stehen.

 

Das Applet demonstriert den Effekt bei Temperaturerhöhung.

Halbleiterkristall

Halten sie die Maustaste im oberen Bild gedrückt und bewegen Sie die Maus.
Die
grünen Kugeln stellen die Atomkerne dar und die roten Kugeln Elektronen.
Bei einer Temeraturerhöhung löst sich ein Elektron (gelbe Kugel) vom Atom.

 

Dotieren


p-Dotierung


n-Dotierung

Als Dotieren wird ein Vorgang bezeichnet, der die Leitfähigkeit eines Halbleiters erhöht. Dabei werden bei der Schaltungserstellung in den Halbleiter durch Diffusion oder Ionenbeschuß zusätzliche Ladungsträger eingefügt. Der Halbleiter ist nach dem Dotieren, in Abhängigkeit von den eingefügten Ladungsträgern positv- (p-) oder negativ- (n -) dotiert, d.h., er hat einen Überschuß an positiven bzw. negativen freien Ladungsträgern.

Das Substrat bzw. der Wafer wird schon bei der Herstellung durch das Einfügen von Fremdatomen dotiert.

Bei der Diffusion wird das Silizium in einem Diffusionsofen mit einem Gas erhitzt, welches die Fremdatome enthält. Dabei diffundieren die Fremdatome in die Kristalloberfläche und bilden dotierte Gebiete. Beim Ionenbeschuß wird der Halbleiter mit Elektronen beschossen und an den Stellen, die nicht durch Photolack geschützt sind, dotiert.

Beim p-Dotieren wird in das Silizium-Gitter an die Stelle des Silizium-Atoms ein drei-wertiges Fremdatom eingesetzt. Es eignen sich Atome wie Gallium, Aluminium oder Indium. Weil dem Fremdatom ein Elektron fehlt, entsteht bei einem Silizium-Atom ein Loch. Beim Ladungstransport springt ein Elektron eines Nachbaratoms in dieses Loch. Dadurch entsteht wieder ein Loch beim Nachbaratom, welches erneut durch den nächsten Nachbarn gefüllt wird. Das Loch bewegt sich entgegengesetzt zu den Elektronen, in Richtung des elektrischen Feldes und in Stromrichtung. Da das Loch ein Mangel an negativer Ladung darstellt, wird es als positiver Ladungsträger angesehen. Definition: Fremdatome, die zum p-Dotieren verwendet werden, heißen Akzeptoren.

Beim n-Dotieren wird in den Halbleiter ein fünf-wertiges Atom eingebaut. Der n-dotierte Halbleiter besitzt dann pro Fremdatom ein Elektron zuviel. Dieses überschüssige Atom ist nur sehr schwach ortsfest und kann daher leicht durch Temperaturerhöhung ins Leitungsband gehoben werden. Als Fremdatome werden hauptsächlich Arsen oder Phosphor verwendet. Definition: Fremdatome, die zum n-Dotieren verwendet werden, heißen Donatoren.

Wenn man Verunreinigungen ausschließt, gilt, daß die Anzahl der Akzeptoren gleich der Anzahl der Löcher bzw. die Anzahl der Donatoren gleich der Anzahl der überschüssigen Elektronen ist.

   
 

Glossar Aufgaben Links

Experimentiermodule:
Diode Kondensator Transistor