Undotierter Halbleiter
Ein undotierter Silizium-Halbleiter besteht ausschließlich aus vierwertigen Siliziumatomen (Si), die in einer regelmäßigen Kristallstruktur angeordnet sind. Dabei gehen die vier Valenzelektronen eines jedes Siliziumatoms so genannte kovalente Bindungen mit den Elektronen der benachbarten Si-Atome ein. Das folgende Applet zeigt das Verhalten eines undotierten Halbleiters bei Änderung der Temperatur. Dabei werden die Vorgänge sowohl im Halbleiterkristall (links) als auch im so genannten Bänderdiagramm (rechts) dargestellt.
Man sieht:
- Bei sehr niedrigen Temperaturen sind alle Bindungen im Halbleiterkristall intakt. Es sind keine freien Elektronen vorhanden, die zum Stromtransport beitragen können. In der Bänderdiagrammdarstellung bedeutet dies, dass sich alle Elektronen im so genannten Valenzband befinden; das obere Energieband (Leitungsband) ist unbesetzt.
- Wird die zum Lösen einer Bindung nötige Energie (z.B. durch Erhöhung der Temperatur) überschritten, entstehen freie Elektronen. Diese freien Elektronen befinden sich in der Bänderdiagrammdarstellung im so genannten Leitungsband. Der Abstand von Leitungsband zu Valenzband, der Bandabstand Wg, entspricht dabei der Energie, die zugeführt werden muss, um eine Bindung zu lösen.
- An den Stellen, wo vorher die jetzt freien Elektronen saßen, bleibt jeweils eine Lücke (ein so genanntes Loch) zurück. Diesem Loch kann - wegen der fehlenden negativen Ladung des Elektrons - eine positive Ladung zugeordnet werden. Da in diese Lücke wiederum andere Elektronen springen können, tragen auch Löcher zum Ladungstransport bei.
- Durch das Lösen von Bindungen zwischen Si-Atomen werden Löcher und Elektronen paarweise generiert, so dass ihre Anzahl stets gleich groß ist.
- Die Zahl der freien Ladungsträger (Elektronen und Löcher) in einem undotierten Halbleiter ist bei moderaten Temperaturen äußerst gering. Erst bei sehr hohen Temperaturen steigt die Anzahl der freien Ladungsträger deutlich an. Durch Dotieren, d.h. den Einbau von Fremdatomen in den Halbleiter, kann jedoch die Zahl der freien Löcher oder Elektronen gezielt verändert und bereits bei Raumtemperatur deutlich erhöht werden.