Doping

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A doping or endowing (v. lat. dotare „ausstatten“) ist in der Mikroelektronik bei der Chipherstellung das Einbringen (Implantation) von Fremdatomen in eine Schicht oder ins Grundmaterial eines elektronischen Bauteiles oder eines integrierten Schaltkreises, und zwar in sehr geringer Konzentration (Größenordnung ca. 10-10). Dies verändert gezielt die Eigenschaften dieser Schicht, meistens die Leitfähigkeit oder die Kristallstruktur. Es gibt hierfür verschiedene Verfahren, z. B. Diffusion, Sublimation aus der Gasphase oder Beschuss mittels hochenergetischen Teilchenkanonen unter Vakuum (Ionenimplantation).

Als Dotierstoffe kommen für die gängigen Halbleiterbauelemente aus Silizium oder Germanium (der vierten Hauptgruppe) für p-Gebiete die Elemente aus der dritten Hauptgruppe wie beispielsweise: Bor, Indium, Aluminium oder Gallium und für n-Gebiete die Elemente aus der fünften Hauptgruppe wie beispielsweise Phosphor, Arsen oder Antimon zum Einsatz.

Der III-V-Halbleiter Galliumarsenid GaAs wird beispielsweise mit den IV-wertigen Elementen Kohlenstoff oder Silizium oder mit Gold dotiert.

p- und n-Dotierung von Silizium

Dotierung im Siliziumkristallgitter mit Phosphor.
Dotierung im Siliziumkristallgitter mit Phosphor.
Dotierung im Siliziumkristallgitter mit Aluminium.
Dotierung im Siliziumkristallgitter mit Aluminium.

Ein Siliziumeinkristall besteht aus IV-wertigen Siliziumatomen. Die vier Außenelektronen eines jeden Siliziumatoms bauen vier Atombindungen zu seinen Nachbaratomen auf und bilden dadurch die Kristallstruktur.

Bei der n-Dotierung werden V-wertige Elemente, die so genannten Donatoren, in das Siliziumgitter eingebracht und substituieren dafür IV-wertige Silizium-Atome. Ein V-wertiges Element hat fünf Außenelektronen für Atombindungen zur Verfügung, sodass bei der Einbindung in den Siliziumkristall ein Außenelektron des Donators freibeweglich zur Verfügung steht. Dieses Elektron kann beim Anlegen einer Spannung Arbeit verrichten. An der Stelle des Donator-Atoms entsteht eine ortsfeste positive Ladung, der eine negative Ladung des freibeweglichen Elektrons gegenübersteht.

Bei der p-Dotierung werden III-wertige Elemente, die so genannten Akzeptoren, in das Siliziumgitter eingebracht und substituieren dafür IV-wertige Silizium-Atome. Ein III-wertiges Element hat drei Außenelektronen für Atombindungen zur Verfügung. Für die vierte Atombindung im Siliziumkristall fehlt ein Außenelektron. Diese Elektronenfehlstelle wird als „Loch“ bezeichnet. Beim Anlegen einer Spannung verhält sich dieses Loch wie ein freibeweglicher positiver Ladungsträger und kann analog zum negativ geladenen Elektron Arbeit verrichten. Dabei springt ein Elektron - angetrieben durch das äußere Feld - aus einer Atombindung heraus, füllt ein Loch und hinterlässt ein neues Loch. An der Stelle des Akzeptor-Atoms entsteht eine ortsfeste negative Ladung, der eine positive Ladung des freibeweglichen Loches gegenübersteht.

Die Bewegungsrichtung der Löcher verhält sich dabei entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung der Elektronen und somit in Richtung der technischen Stromrichtung.

Eine genauere Beschreibung der „elektrischen Effekte“ erfolgt durch das Bändermodell.

In der Elektronik benötigt man Dotierungen mit unterschiedlichen Dotierungsgrad. man unterscheidet hierbei starke Dotierung (n+; p+), mittlere Dotierung (n; p) und schwache Dotierung (n-, p-)

Dotierverfahren

Neben der Zugabe der Dotierstoffe schon bei der Herstellung der Einkristalle gibt es zwei Möglichkeiten der Dotierung während des Fertigungsprozesses von integrierten Schaltungen:

Siehe auch

 

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