dotiert

Ein dotierter Halbleiter ist ein Material, dem kleine, sorgfältig kontrollierte Mengen von Fremdelementen (Dotierstoffe) zugeführt wurden, um seine elektrischen Eigenschaften zu verändern. Reines Silizium oder Germanium leiten bei Raumtemperatur fast keinen Strom; durch Dotierung werden sie in Materialien umgewandelt, die Strom auf vorhersehbare Weise transportieren können. Die Dotierstoffkonzentration liegt typischerweise zwischen einem Fremdatom pro Million und einem pro Milliarde Halbleiteratome, doch selbst diese winzigen Anteile verändern grundlegend, wie sich das Material verhält.

Es gibt zwei grundlegende Dotierschemen. N-Dotierung (negativ) fügt Elemente aus der Gruppe 15 des Periodensystems hinzu, am häufigsten Phosphor oder Arsen, die freie Elektronen bereitstellen. P-Dotierung (positiv) führt Elemente der Gruppe 13 wie Bor oder Aluminium ein, die "Löcher" erzeugen, die als positive Ladungsträger fungieren. Die Wahl zwischen ihnen bestimmt, ob Majoritätsträger Elektronen oder Löcher sein werden, und diese Unterscheidung ist die Grundlage aller praktischen Halbleiterbauelemente.

Wie Dotierung erfolgt und was schief gehen kann

Dotierstoffe gelangen während des Kristallwachstums (durch Czochralski-Verfahren) in das Kristallgitter, oder sie werden mit Ionenimplantation oder Diffusion in fertige Wafer eingebracht. Bei der Ionenimplantation werden Dotierstoffionen auf hohe Energie beschleunigt und in die Halbleiteroberfläche geschossen; bei der Diffusion werden Dotierstoffe bei hoher Temperatur eingeführt und wandern nach innen. Beide Verfahren erfordern präzise Kontrolle von Temperatur, Zeit, Konzentration und Eindringtiefe. Zu hohe Dotierung erzeugt Kompensationseffekte und Kristallschäden; zu geringe Dotierung hinterlässt das Bauelement träge. Unbeabsichtigte Dotierstoffe aus der Prozessumgebung oder von vorherigen Fertigungsschritten können die Bauelementeleistung völlig ruinieren.

Die elektrischen Eigenschaften eines dotierten Halbleiters hängen nicht nur von Dotierstofftyp und Konzentration ab, sondern auch von der Temperatur, von der gleichmäßigen Verteilung der Dotierstoffe und vom Vorhandensein von Fehlstellen oder kompensierenden Dotierstoffen. Ein nominell n-dotierter Silizium-Wafer mit restlicher p-Kontamination verhält sich anders als rein n-dotiertes Material. Deshalb müssen Dotierstoffprofile nach der Verarbeitung abgebildet und überprüft werden; Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) und Ausbreitungswiderstandsanalyse werden zur Bestätigung der Dotierstoffverteilung verwendet.

Der Begriff "dotiert" wurde in der Elektronik gebräuchlich, weil das Konzept der Dotierung im Sport oder in der Chemie ähnelt, wo ein kleines Zusatzmittel die Eigenschaften dramatisch verändert. In der Halbleiterphysik ersetzen die Dotierstoffe einige Wirtsatome im Kristall und sitzen im Gitter, wobei sie je nach ihrer Wertigkeit Elektronen abgeben oder aufnehmen. Dieser Mechanismus war bereits Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts bekannt und bildet noch immer die Grundlage jeder heute verwendeten Sperrschichtdiode, jedes Transistors und jedes integrierten Schaltkreises. Ohne Dotierung gäbe es die moderne Elektronik nicht.