Ein dotierter Halbleiter ist ein Halbleiter, der absichtlich dotiert wurde, um seine elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften zu modulieren. Bei Halbleiterdetektoren für ionisierende Strahlung ist Dotieren das absichtliche Einbringen von Verunreinigungen in einen intrinsischen Halbleiter zum Zweck der Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften. Intrinsische Halbleiter werden daher auch als reine Halbleiter oder i-Halbleiter bezeichnet.
Die Zugabe eines kleinen Prozentsatzes von Fremdatomen in das regelmäßige Kristallgitter von Silizium oder Germanium führt zu dramatischen Änderungen ihrer elektrischen Eigenschaften, da diese in die Kristallstruktur des Halbleiters eingebauten Fremdatome freie Ladungsträger (Elektronen oder Elektronenlöcher) in der Zelle liefern Halbleiter. In einem externen Halbleiter liefern diese Fremddotierungsatome im Kristallgitter hauptsächlich die Ladungsträger, die elektrischen Strom durch den Kristall transportieren. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Dotierungsatomen, die zu zwei Arten von externen Halbleitern führen. Diese Dotierstoffe, die die gewünschten kontrollierten Änderungen erzeugen, werden entweder als Elektronenakzeptoren oder als Donoren klassifiziert und die entsprechenden dotierten Halbleiter sind bekannt als:
- Halbleiter vom n-Typ.
- p-Halbleiter.
Extrinsische Halbleiter sind Bestandteile vieler gängiger elektrischer Geräte sowie vieler Detektoren für ionisierende Strahlung. Zu diesem Zweck besteht eine Halbleiterdiode (Bauelemente, die Strom nur in einer Richtung zulassen) normalerweise aus Halbleitern vom p-Typ und vom n-Typ, die in Verbindung miteinander angeordnet sind.
Donordotierte Halbleiter
Ein mit Elektronendonoratomen dotierter fremder Halbleiter wird als n-Halbleiter bezeichnet, weil die Mehrzahl der Ladungsträger im Kristall negative Elektronen sind. Da Silizium ein vierwertiges Element ist, enthält die normale Kristallstruktur 4 kovalente Bindungen von vier Valenzelektronen. In Silizium sind die häufigsten Dotierstoffe Elemente der Gruppe III und der Gruppe V. Gruppe-V-Elemente (fünfwertig) haben fünf Valenzelektronen, wodurch sie als Donor fungieren können. Das heißt, der Zusatz dieser fünfwertigen Verunreinigungen wie Arsen, Antimon oder Phosphor trägt zu freien Elektronen bei und erhöht die Leitfähigkeit des intrinsischen Halbleiters erheblich. Beispielsweise erzeugt ein mit Bor dotierter Siliziumkristall (Gruppe III) einen Halbleiter vom p-Typ, während ein mit Phosphor dotierter Kristall (Gruppe V) einen Halbleiter vom n-Typ ergibt.
Die Leitungselektronen werden vollständig von der Anzahl der Donorelektronen dominiert . Deshalb:
Die Gesamtzahl der Leitungselektronen ist in etwa gleich der Zahl der Spenderstellen, n≈N D .
Die Ladungsneutralität des Halbleitermaterials bleibt erhalten, da angeregte Donorstellen die Leitungselektronen ausgleichen. Das Nettoergebnis ist, dass die Anzahl der Leitungselektronen erhöht wird, während die Anzahl der Löcher verringert wird. Das Ungleichgewicht der Ladungsträgerkonzentration in den jeweiligen Bändern wird durch die unterschiedliche absolute Anzahl von Elektronen und Löchern ausgedrückt. Elektronen sind Majoritätsträger, während Löcher Minoritätsträger in n-Typ-Material sind.
Akzeptordotierte Halbleiter
Ein extrinsischen Halbleiter welche wurde mit Elektronenakzeptor dotiert Atomen ist ein sogenannter p-Typ – Halbleiter , weil die Mehrheit der Ladungsträger in dem Kristall sind Elektronenlöcher (positive Ladungsträger). Das reine Halbleitersilizium ist ein vierwertiges Element , die normale Kristallstruktur enthält 4 kovalente Bindungen von vier Valenzelektronen. In Silizium sind die häufigsten Dotierstoffe Elemente der Gruppe III und der Gruppe V. Elemente der Gruppe III (dreiwertig) enthalten alle drei Valenzelektronen, wodurch sie als Akzeptoren fungieren, wenn sie zur Dotierung von Silizium verwendet werden. Wenn ein Akzeptoratom ein vierwertiges Siliziumatom im Kristall ersetzt, entsteht ein leerer Zustand (ein Elektronenloch). Ein Elektronenloch (oft einfach als Loch bezeichnet) ist das Fehlen eines Elektrons an einer Stelle, an der man in einem Atom oder Atomgitter existieren könnte. Es ist eine der beiden Arten von Ladungsträgern, die für die Erzeugung von elektrischem Strom in Halbleitermaterialien verantwortlich sind. Diese positiv geladenen Löcher können sich in Halbleitermaterialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen. Der Zusatz von dreiwertigen Verunreinigungen wie Bor , Aluminium oder Galliuman einem intrinsischen Halbleiter entstehen diese positiven Elektronenlöcher in der Struktur. Beispielsweise erzeugt ein mit Bor dotierter Siliziumkristall (Gruppe III) einen Halbleiter vom p-Typ, während ein mit Phosphor dotierter Kristall (Gruppe V) einen Halbleiter vom n-Typ ergibt.
Die Anzahl der Elektronenlöcher wird vollständig von der Anzahl der Akzeptorstellen dominiert. Deshalb:
Die Gesamtzahl von Löchern ist ungefähr gleich der Anzahl der Spenderstellen, p ≈ N A .
Die Ladungsneutralität dieses Halbleitermaterials bleibt ebenfalls erhalten. Das Nettoergebnis ist, dass die Anzahl der Elektronenlöcher erhöht wird, während die Anzahl der Leitungselektronen verringert wird. Das Ungleichgewicht der Trägerkonzentration in den jeweiligen Bändern wird durch die unterschiedliche absolute Anzahl von Elektronen und Löchern ausgedrückt. Elektronenlöcher sind Majoritätsträger , während Elektronen Minoritätsträger in p-Material sind.
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