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.