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Störstelle Als wird in der Festkörperphysik und Werkstoffwissenschaft ein fehlendes Atom Leerstellen oder ein Substituti

Störstelle

Als Störstelle wird in der Festkörperphysik und Werkstoffwissenschaft ein fehlendes Atom (Leerstellen) oder ein Substitutionsatom (nulldimensionale Gitterfehler) in einem (hochreinen) Kristall bezeichnet, das heißt, sie sind eine Störung der regulären Kristallgitterstruktur.

Durch die Störung können lokal zusätzliche elektronische Energieniveaus entstehen. Im Fall von Halbleitern können diese im verbotenen Band liegen und so die elektronischen und optischen Eigenschaften entscheidend beeinflussen. Beispielsweise kann durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen (Dotierung) die elektrische Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen erhöht werden, vgl. Störstellenleitung. Als potentielle Haftstelle und Rekombinationszentrum kann eine Störstelle aber auch die elektrische Leitfähigkeit verringern.

Donatoren und Akzeptoren Bearbeiten

Wie bereits erwähnt erhöht das Vorhandensein von Störstellen (anderer Wertigkeit) die Leitungseigenschaften von elektrischem Strom bei niedrigeren Temperaturen. Die Ursache dafür liegt in der Erzeugung von Zwischenniveaus in der Bandlücke des Halbleiters. Dabei werden zwei Arten von Störstellen unterschieden:

Donatoratome (Phosphor) im Silicumkristallgitter und ihre Wirkung im Banddiagramm
Akzeptoratome (Bor) im Silicumkristallgitter und ihre Wirkung im Banddiagramm
  • Störstellen mit einem Valenzband-Elektron mehr als das Halbleiterelement werden als (Elektronen-)Donatoren (lateinisch donare = schenken) bezeichnet. Werden solche Fremdatome in den Halbleiter substituiert, d. h. mit den Halbleiteratomen ausgetauscht, so bringt jedes dieser Fremdatome (im Fall von Phosphor und Silicium) ein Elektron mit, das nicht für die Bindung benötigt wird und leicht abgelöst werden kann. Es bildet sich ein Störstellenniveau in der Nähe der unteren Energiekante des Leitungsbandes (Donatorniveau). Entsprechend dotierte Bereiche des Halbleiters werden als n-dotiert bezeichnet.
  • Analog dazu werden als (Elektronen-)Akzeptoren (lat. accipere = annehmen) die Fremdatome bezeichnet, die ein Elektron weniger im Valenzband haben. Dieses Elektron fehlt für die Bindung zum Nachbaratom. Sie wirken als ein zusätzliches Defektelektron (Loch), welches leicht von Valenzbandelektronen besetzt werden kann – daher findet sich auch einigen Betrachtungen der Begriff Löcherdonatoren. Im Bänderschema liegt ein solches Störstellenniveau nahe oberhalb der Valenzbandkante (Akzeptorniveau). Entsprechend dotierte Bereiche des Halbleiters werden als p-dotiert bezeichnet.

Auch wenn beide Dotierungsarten die Leitfähigkeit (fast gleich) erhöhen, sind die zugrundeliegenden Mechanismen recht unterschiedlich:

  • Bei Donatoren werden mit der Erhöhung der Temperatur zunehmend Elektronen von den Donatorniveaus () in das Leitungsband angeregt (hier ist die Energiedifferenz die kleinste „Energielücke“). Im Leitungsband stehen sie nun für den Ladungstransport zur Verfügung. Zurück bleiben ortsfeste positiv geladene Haftstellen (sozusagen ortsfeste Defektelektronen).
  • Im Gegensatz dazu werden bei Akzeptoren Elektronen aus dem Valenzband in die ortsfesten Akzeptorniveaus angeregt und gebunden (hier ist die Energiedifferenz die kleinste „Energielücke“). Zurück bleiben „freibewegliche“ positive Ladungen (Defektelektronen), die im Valenzband für den Ladungstransport verantwortlich sind (Majoritätsladungsträger).

Neben der zuvor beschrieben Unterscheidung werden Störstellen auch hinsichtlich der Lage ihrer Energieniveaus unterschieden:

  • flache Störstellen besitzen eine geringe Energiedifferenz, sie befinden sich daher je nach Störstellenart in der Nähe des Valenz- bzw. des Leitungsbands.
  • tiefe Störstellen, auch tiefe Zentren genannt, haben hingegen eine verhältnismäßig große Energiedifferenz, sie liegen im Bereich der Bandlückenmitte.

Je nach Materialkomposition kann eine Störstelle auch mehr als eine Haftstelle im Energieband erzeugen. Diese können sowohl als Donator- als auch als Akzeptorniveau wirken. Beispielsweise erzeugt Schwefel in einem Siliciumkristall ein Donatorniveau bei ED = 260 meV und ein Akzeptorniveau bei EA = 480 meV.

Energetischer Abstand und für ausgewählte Halbleiter
Kristallmaterial Bandabstand
in eV 		(Donatoren)
in meV 		(Akzeptoren)
in meV
P As Sb B Al Ga In
Si 1,12 45 54 39 45 67 74 160
Ge 0,67 12 12,7 9,6 10 10 10 11
  S Te Si Be Zn Cd Si
GaAs 1,42 6 30 5,8 28 31 35 35

Auswirkungen auf das Energiebändermodell Bearbeiten

Zustandsdichten (farbig) in einem n-dotierten Halbleiter mit direktem Bandübergang. Energieniveau ED der Dotieratome.

Durch die zusätzlichen Energieniveaus ergibt sich eine Verschiebung der Zustandsdichte und somit des Fermi-Niveaus , das nach der Fermi-Dirac-Statistik mit der Besetzungswahrscheinlichkeit ½ besetzt ist.

  • Für n-dotierte Halbleiter liegt das Fermi-Niveau somit zwischen dem intrinsischen Fermi-Niveau und dem höher liegenden effektiven Donatorniveau :
  • Für p-dotierte Halbleiter verschiebt sich das Fermi-Niveau zu niedrigeren Energien, denn die unbesetzten Akzeptorniveaus liegen unterhalb des Fermi-Niveaus. Das neue Fermi-Niveau liegt daher zwischen dem effektiven Akzeptorniveau und dem intrinsischen Fermi-Niveau :

Isoelektronische Störstellen Bearbeiten

Neben Fremdatomen mit einer unterschiedlichen Zahl an Außenelektronen können auch Fremdatome mit gleicher Anzahl von Außenelektronen wie das Atom, das sie ersetzen, in einen Halbleiter eingebracht werden. Diese Störstellen werden isoelektronische (bzw. isovalente) Störstellen genannt, beispielsweise Störstellen, die durch die Germanium-Dotierung eines Silicium-Kristalls entstehen.

Besonders bei vierwertigen Materialien kommt es dabei häufig zur Ausbildung zweier Störstellenniveaus, so erzeugt Germanium zwei Donatorniveaus im Silicium-Energieband, bei +0,5 eV (gemessen von der Valenzbandkante) und −0,27 eV (gemessen von der Leitungsbandkante). Da jedoch alle Valenzelektronen für die Bindung im Kristall benötigt werden, sind isoelektronische Störstellen neutral geladen.

Da sie Einfluss auf die optischen Eigenschaften von Halbleitern haben, werden isoelektronische Störstellen vor allem für optische Anwendungen eingesetzt. Ein bekanntes Beispiel sind Galliumphosphid-Kristalle (GaP), bei denen die Dotierung mit Stickstoff die Herstellung intensiv grün leuchtender Lumineszenzdioden ermöglicht.

Anwendung Bearbeiten

In der Halbleitertechnik sind Fremdatome mit anderer Wertigkeit technisch interessante Störstellen, beispielsweise Bor oder Phosphor für Silicium-Kristalle. Das gezielte Einbringen von Fremdatomen wird als Dotierung bezeichnet.

Übliche Konzentrationen bewegen sich dabei im Bereich von 1014 bis 1017 cm−3 (die Konzentration der Si-Atome selbst beträgt 5·1022 cm−3). Durch die relativ niedrigen Konzentrationen werden (auf den gesamten Kristall gesehen) die chemischen und kristallographischen Eigenschaften nur unwesentlich verändert.

Elektrisch haben diese Störstellen (anderer Wertigkeit) jedoch große Bedeutung. Sie erzeugen Haftstellen (engl. traps), ortsgebundene Energieniveaus im Bereich der Energielücke (Bandlücke) von Halbleitern, also im nicht von Elektronen besetzbaren Energiebereich zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband. Auf diese Weise kann das Leitungsverhalten der Halbleiter gezielt beeinflusst werden. Durch die Störstellen sind auch bei tieferen Temperaturen mehr freie Ladungsträger vorhanden (als bei hochreinen Halbleitern), was zu einer höheren elektrischen Leitfähigkeit führt. Den zugehörigen Mechanismus bezeichnet man als Störstellenleitung – im Gegensatz dazu steht die Eigenleitung von intrinsischen (reinen) Halbleitern bei höheren Temperaturen.

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • Frank Thuselt: Physik der Halbleiterbauelemente: Einführendes Lehrbuch für Ingenieure und Physiker. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-22316-9.
  • Werner Schatt, Hartmut Worch: Werkstoffwissenschaft. 9. Auflage. Wiley-VCH, 2003, ISBN 3-527-30535-1.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Dieter Sautter, Hans Weinerth (Hrsg.): Lexikon Elektronik Und Mikroelektronik. Springer, 1993, ISBN 3-642-58006-8, Störstellen, S. 1011.
  2. ↑ S. M. Sze: Physics of Semiconductor Devices. 2. Auflage. Wiley & Sons, 1981, ISBN 0-471-09837-X, S. 21 (Neuere Auflagen enthalten keine Übersicht für Germanium).
  3. Werner Schatt, Hartmut Worch: Werkstoffwissenschaft. 9. Auflage. Wiley-VCH, 2003, ISBN 3-527-30535-1, S. 439.
  4. ↑ Frank Thuselt: Physik der Halbleiterbauelemente: Einführendes Lehrbuch für Ingenieure und Physiker. Springer, 2005, ISBN 978-3-540-22316-0, S. 65.
  5. ↑ Rolf Sauer: Halbleiterphysik: Lehrbuch für Physiker und Ingenieure. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2008, ISBN 978-3-486-58863-7, S. 336.
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Veröffentlichungsdatum:
Als Storstelle wird in der Festkorperphysik und Werkstoffwissenschaft ein fehlendes Atom Leerstellen oder ein Substitutionsatom nulldimensionale Gitterfehler in einem hochreinen Kristall bezeichnet das heisst sie sind eine Storung der regularen Kristallgitterstruktur 1 Durch die Storung konnen lokal zusatzliche elektronische Energieniveaus entstehen Im Fall von Halbleitern konnen diese im verbotenen Band liegen und so die elektronischen und optischen Eigenschaften entscheidend beeinflussen Beispielsweise kann durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen Dotierung die elektrische Leitfahigkeit um mehrere Grossenordnungen erhoht werden vgl Storstellenleitung Als potentielle Haftstelle und Rekombinationszentrum kann eine Storstelle aber auch die elektrische Leitfahigkeit verringern Inhaltsverzeichnis 1 Donatoren und Akzeptoren 2 Auswirkungen auf das Energiebandermodell 3 Isoelektronische Storstellen 4 Anwendung 5 Siehe auch 6 Literatur 7 EinzelnachweiseDonatoren und Akzeptoren BearbeitenWie bereits erwahnt erhoht das Vorhandensein von Storstellen anderer Wertigkeit die Leitungseigenschaften von elektrischem Strom bei niedrigeren Temperaturen Die Ursache dafur liegt in der Erzeugung von Zwischenniveaus in der Bandlucke des Halbleiters Dabei werden zwei Arten von Storstellen unterschieden nbsp Donatoratome Phosphor im Silicumkristallgitter und ihre Wirkung im Banddiagramm nbsp Akzeptoratome Bor im Silicumkristallgitter und ihre Wirkung im BanddiagrammStorstellen mit einem Valenzband Elektron mehr als das Halbleiterelement werden als Elektronen Donatoren lateinisch donare schenken bezeichnet Werden solche Fremdatome in den Halbleiter substituiert d h mit den Halbleiteratomen ausgetauscht so bringt jedes dieser Fremdatome im Fall von Phosphor und Silicium ein Elektron mit das nicht fur die Bindung benotigt wird und leicht abgelost werden kann Es bildet sich ein Storstellenniveau in der Nahe der unteren Energiekante des Leitungsbandes Donatorniveau Entsprechend dotierte Bereiche des Halbleiters werden als n dotiert bezeichnet Analog dazu werden als Elektronen Akzeptoren lat accipere annehmen die Fremdatome bezeichnet die ein Elektron weniger im Valenzband haben Dieses Elektron fehlt fur die Bindung zum Nachbaratom Sie wirken als ein zusatzliches Defektelektron Loch welches leicht von Valenzbandelektronen besetzt werden kann daher findet sich auch einigen Betrachtungen der Begriff Locherdonatoren Im Banderschema liegt ein solches Storstellenniveau nahe oberhalb der Valenzbandkante Akzeptorniveau Entsprechend dotierte Bereiche des Halbleiters werden als p dotiert bezeichnet Auch wenn beide Dotierungsarten die Leitfahigkeit fast gleich erhohen sind die zugrundeliegenden Mechanismen recht unterschiedlich Bei Donatoren werden mit der Erhohung der Temperatur zunehmend Elektronen von den Donatorniveaus E D displaystyle E mathrm D nbsp in das Leitungsband angeregt hier ist die Energiedifferenz D E D E C E D displaystyle Delta E mathrm D E mathrm C E mathrm D nbsp die kleinste Energielucke Im Leitungsband stehen sie nun fur den Ladungstransport zur Verfugung Zuruck bleiben ortsfeste positiv geladene Haftstellen sozusagen ortsfeste Defektelektronen Im Gegensatz dazu werden bei Akzeptoren Elektronen aus dem Valenzband in die ortsfesten Akzeptorniveaus angeregt und gebunden hier ist die Energiedifferenz D E A E A E V displaystyle Delta E mathrm A E mathrm A E mathrm V nbsp die kleinste Energielucke Zuruck bleiben freibewegliche positive Ladungen Defektelektronen die im Valenzband fur den Ladungstransport verantwortlich sind Majoritatsladungstrager Neben der zuvor beschrieben Unterscheidung werden Storstellen auch hinsichtlich der Lage ihrer Energieniveaus unterschieden flache Storstellen besitzen eine geringe Energiedifferenz sie befinden sich daher je nach Storstellenart in der Nahe des Valenz bzw des Leitungsbands tiefe Storstellen auch tiefe Zentren genannt haben hingegen eine verhaltnismassig grosse Energiedifferenz sie liegen im Bereich der Bandluckenmitte Je nach Materialkomposition kann eine Storstelle auch mehr als eine Haftstelle im Energieband erzeugen Diese konnen sowohl als Donator als auch als Akzeptorniveau wirken Beispielsweise erzeugt Schwefel in einem Siliciumkristall ein Donatorniveau bei ED 260 meV und ein Akzeptorniveau bei EA 480 meV 2 Energetischer Abstand D E D displaystyle Delta E mathrm D nbsp und D E A displaystyle Delta E mathrm A nbsp fur ausgewahlte Halbleiter 2 3 Kristallmaterial Bandabstandin eV Donatoren E D displaystyle E mathrm D nbsp in meV Akzeptoren E A displaystyle E mathrm A nbsp in meVP As Sb B Al Ga InSi 1 12 45 54 39 45 67 74 160Ge 0 67 12 12 7 9 6 10 10 10 11 S Te Si Be Zn Cd SiGaAs 1 42 6 30 5 8 28 31 35 35Auswirkungen auf das Energiebandermodell Bearbeiten nbsp Zustandsdichten farbig in einem n dotierten Halbleiter mit direktem Bandubergang Energieniveau ED der Dotieratome Durch die zusatzlichen Energieniveaus ergibt sich eine Verschiebung der Zustandsdichte und somit des Fermi Niveaus E F displaystyle E mathrm F nbsp das nach der Fermi Dirac Statistik mit der Besetzungswahrscheinlichkeit besetzt ist Fur n dotierte Halbleiter liegt das Fermi Niveau somit zwischen dem intrinsischen Fermi Niveau E i displaystyle E mathrm i nbsp und dem hoher liegenden effektiven Donatorniveau E D displaystyle E mathrm D nbsp E i E F E D displaystyle E mathrm i leq E mathrm F leq E mathrm D nbsp dd Fur p dotierte Halbleiter verschiebt sich das Fermi Niveau zu niedrigeren Energien denn die unbesetzten Akzeptorniveaus liegen unterhalb des Fermi Niveaus Das neue Fermi Niveau liegt daher zwischen dem effektiven Akzeptorniveau E A displaystyle E mathrm A nbsp und dem intrinsischen Fermi Niveau E i displaystyle E mathrm i nbsp E A E F E i displaystyle E mathrm A leq E mathrm F leq E mathrm i nbsp dd Isoelektronische Storstellen Bearbeiten Hauptartikel Isoelektronische Storstelle Neben Fremdatomen mit einer unterschiedlichen Zahl an Aussenelektronen konnen auch Fremdatome mit gleicher Anzahl von Aussenelektronen wie das Atom das sie ersetzen in einen Halbleiter eingebracht werden Diese Storstellen werden isoelektronische 4 bzw isovalente 5 Storstellen genannt beispielsweise Storstellen die durch die Germanium Dotierung eines Silicium Kristalls entstehen Besonders bei vierwertigen Materialien kommt es dabei haufig zur Ausbildung zweier Storstellenniveaus so erzeugt Germanium zwei Donatorniveaus im Silicium Energieband bei 0 5 eV gemessen von der Valenzbandkante und 0 27 eV gemessen von der Leitungsbandkante 2 Da jedoch alle Valenzelektronen fur die Bindung im Kristall benotigt werden sind isoelektronische Storstellen neutral geladen Da sie Einfluss auf die optischen Eigenschaften von Halbleitern haben werden isoelektronische Storstellen vor allem fur optische Anwendungen eingesetzt Ein bekanntes Beispiel sind Galliumphosphid Kristalle GaP bei denen die Dotierung mit Stickstoff die Herstellung intensiv grun leuchtender Lumineszenzdioden ermoglicht 4 5 Anwendung BearbeitenIn der Halbleitertechnik sind Fremdatome mit anderer Wertigkeit technisch interessante Storstellen beispielsweise Bor oder Phosphor fur Silicium Kristalle Das gezielte Einbringen von Fremdatomen wird als Dotierung bezeichnet Ubliche Konzentrationen bewegen sich dabei im Bereich von 1014 bis 1017 cm 3 die Konzentration der Si Atome selbst betragt 5 1022 cm 3 Durch die relativ niedrigen Konzentrationen werden auf den gesamten Kristall gesehen die chemischen und kristallographischen Eigenschaften nur unwesentlich verandert Elektrisch haben diese Storstellen anderer Wertigkeit jedoch grosse Bedeutung Sie erzeugen Haftstellen engl traps ortsgebundene Energieniveaus im Bereich der Energielucke Bandlucke von Halbleitern also im nicht von Elektronen besetzbaren Energiebereich zwischen dem Valenz und dem Leitungsband Auf diese Weise kann das Leitungsverhalten der Halbleiter gezielt beeinflusst werden Durch die Storstellen sind auch bei tieferen Temperaturen mehr freie Ladungstrager vorhanden als bei hochreinen Halbleitern was zu einer hoheren elektrischen Leitfahigkeit fuhrt Den zugehorigen Mechanismus bezeichnet man als Storstellenleitung im Gegensatz dazu steht die Eigenleitung von intrinsischen reinen Halbleitern bei hoheren Temperaturen Siehe auch BearbeitenStorstellenerschopfungLiteratur BearbeitenFrank Thuselt Physik der Halbleiterbauelemente Einfuhrendes Lehrbuch fur Ingenieure und Physiker Springer Berlin 2004 ISBN 3 540 22316 9 Werner Schatt Hartmut Worch Werkstoffwissenschaft 9 Auflage Wiley VCH 2003 ISBN 3 527 30535 1 Einzelnachweise Bearbeiten Dieter Sautter Hans Weinerth Hrsg Lexikon Elektronik Und Mikroelektronik Springer 1993 ISBN 3 642 58006 8 Storstellen S 1011 a b c S M Sze Physics of Semiconductor Devices 2 Auflage Wiley amp Sons 1981 ISBN 0 471 09837 X S 21 Neuere Auflagen enthalten keine Ubersicht fur Germanium Werner Schatt Hartmut Worch Werkstoffwissenschaft 9 Auflage Wiley VCH 2003 ISBN 3 527 30535 1 S 439 a b Frank Thuselt Physik der Halbleiterbauelemente Einfuhrendes Lehrbuch fur Ingenieure und Physiker Springer 2005 ISBN 978 3 540 22316 0 S 65 a b Rolf Sauer Halbleiterphysik Lehrbuch fur Physiker und Ingenieure Oldenbourg Wissenschaftsverlag 2008 ISBN 978 3 486 58863 7 S 336 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Storstelle amp oldid 220532215