n-dotierter Halbleiter

Das folgende Applet zeigt, wie durch das Dotieren eines Silizium-Halbleiters mit geeigneten Fremdatomen (hier: Phosphor) die Anzahl der zum Stromtransport wichtigen freien Elektronen erhöht werden kann. Dabei werden die Vorgänge sowohl im Halbleiterkristall (links) als auch im Bänderdiagramm (rechts) dargestellt.

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Man sieht:

Dotiert man einen Silizium-Halbleiter mit Phosphor, d.h. ersetzt man in dem Kristallgitter einzelne (vierwertige) Si-Atome durch (fünfwertige) P-Atome, so gehen jeweils vier der fünf Elektronen des Phosphor-Atoms (P) eine Bindung mit den benachbarten Si-Atomen ein; das fünfte Elektron bleibt jedoch ungebunden.
Dieses fünfte Elektron, das keine Bindung eingegangen ist, kann bereits durch Zuführen geringer Ionisierungsenergie (z.B. geringe Temperaturerhöhung) von dem Phosphor-Atom (P), dem so genannten Donator, gelöst werden und wird dann zu einem "freien" Elektron. In dem Bänderdiagramm entspricht diese geringe Ionisierungsenergie dem geringen Abstand des Donatorniveaus Wd zum Leitungsband Wc.
Wegen der geringen Ionisierungsenergie sind bereits bei sehr geringen Temperaturen (150K) alle Phosphoratome ionisiert, so dass im technisch relevanten Temperaturbereich davon ausgegangen werden kann, dass die Zahl der freien Elektronen no gleich der Dichte ND der Dotierungsatome ist.
Der positive Atomrumpf (P+) ist ortsfest und trägt nicht zum Stromtransport im Halbleiter bei. Durch das Dotieren erhöht sich demnach nur die Anzahl der freien Elektronen, die sich frei innerhalb des Halbleiters bewegen können.
Wird die Temperatur weiter erhöht (T>300K) lösen sich - wie auch beim undotierten Halbleiter - immer mehr Bindungen zwischen den Si-Atomen und es entstehen zusätzliche Elektronen-Loch-Paare.
Der Halbleiter bleibt nach außen hin stets neutral, da jedem freien Ladungsträger ein entgegengesetzt geladenes, ortsfestes Ion gegenübersteht.
Da in dem mit Phosphor dotierten Halbleiter die freien Elektronen maßgeblich zum Ladungstransport beitragen, spricht man auch von einem n-Typ Halbleiter.