E3 Doping: Spender und Empfänger

Thema

Eine in das Kristallgitter dieses Halbleitermaterials eingebrachte Donatorverunreinigung setzt gemäß einer durch ein wasserstoffähnliches Modell beschriebenen Ionisierungsenergie ein Elektron in das Leitungsband des Materials frei. Dieses zusätzliche Elektron ist, ebenfalls gemäß diesem Modell, deutlich schwächer an die Verunreinigung gebunden als ein gewöhnliches Valenzelektron. In diesem Modell umkreist das zusätzliche Elektron die Donatorverunreinigung wie einen Wasserstoffkern, jedoch innerhalb des Halbleitermaterials und nicht im Vakuum. Daher ist die zur Freisetzung des Elektrons in das Leitungsband benötigte Ionisierungsenergie viel geringer als die Bandlücke des Halbleitermaterials. Aufgrund der geringeren Ionisierungsenergie dieser Donatorverunreinigung setzt folglich ein größerer Anteil dieser Donatorverunreinigungen bei gleicher Temperatur des Halbleitermaterials sein zusätzliches Elektron in das Leitungsband frei.

Die Konzentration dieser bereits ionisierten Donatorverunreinigungen muss zusammen mit der Konzentration etwaiger ebenfalls bereits ionisierter Akzeptorverunreinigungen im Kristallgitter und der Konzentration freier Elektronen und Löcher im Halbleitermaterial die Ladungsneutralität des gesamten Materials gewährleisten. Jede bereits ionisierte Donatorverunreinigung hinterlässt nach der Abgabe ihres zusätzlichen Elektrons eine feste positive Ladung im Kristallgitter, während jede bereits ionisierte Akzeptorverunreinigung ihrerseits eine feste negative Ladung hinterlässt. Daher müssen sich die Summe dieser beiden festen Ladungen und die Ladungen der freien Elektronen und Löcher exakt aufheben. Eine höhere Konzentration bereits ionisierter Donatorverunreinigungen im Kristallgitter bedeutet, dass zur Aufrechterhaltung dieser Ladungsneutralität auch die Konzentration freier Elektronen im Halbleitermaterial höher sein muss.

Dieses Modell, mit dieser Donatorverunreinigung und der damit einhergehenden Ladungsneutralität, bewirkt daher, dass die Konzentration freier Elektronen in diesem Halbleitermaterial durch dieselbe Dotierung weit über die intrinsische Konzentration hinaus verschoben wird, die bereits durch ein anderes Modell dieser Reihe ermittelt wurde. Dies geschieht ohne die Notwendigkeit einer intensiven thermischen Anregung über die gesamte Bandlücke. Während die intrinsische Ladungsträgerkonzentration die direkte Anregung von Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband über die gesamte Bandlücke erfordert, erreicht diese Dotierung dieselbe Verschiebung der Konzentration freier Elektronen mit der deutlich niedrigeren Ionisierungsenergie dieser Donatorverunreinigung. Die höhere Konzentration von Donatorverunreinigungen im Kristallgitter führt dazu, dass die Konzentration freier Elektronen, die weit über der intrinsischen Konzentration liegt, noch weiter von dieser entfernt ist. Folglich wird auch das Fermi-Niveau dieses Halbleitermaterials, das ein anderes Modell dieser Reihe detaillierter beschreibt, durch dieselbe Konzentration von Donatorverunreinigungen bestimmt.

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