Halbleiter einfach erklärt: Silizium und Dotierung

Ein Halbleiter ist ein Festkörper, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und der von Nichtleitern liegt. Ein Beispiel für einen Halbleiter ist Silicium. Strom bedeutet: Ladungsträger bewegen sich. Ladungsträger sind kleine Teilchen mit einer elektrischen Ladung, zum Beispiel Elektronen.

Anders als in Metallen gibt es in einem Halbleiter zunächst keine freien Ladungsträger. Sie müssen erst entstehen, zum Beispiel durch Erwärmung. Deshalb steigt die Leitfähigkeit eines Halbleiters steil mit der Temperatur an. Bei extrem niedriger Temperatur, nahe dem absoluten Nullpunkt, ist ein Halbleiter ein Nichtleiter.

Der zweite Weg ist das Dotieren. Dabei bringt man Fremdatome in den Kristall. Fremdatome sind Atome einer anderen Sorte als das Grundmaterial. Bei Silicium nimmt man meist Bor oder Phosphor. Die Fremdatome verändern das Verhalten der Elektronen und damit die Leitfähigkeit gezielt. In manchen Halbleitern reicht schon ein Fremdatom auf 10 Millionen Halbleiteratome für eine extreme Änderung.

Im Siliciumkristall sind die Außenelektronen der Atome (Valenzelektronen) zunächst fest in Bindungen gebunden. Durch Wärme oder durch Licht bekommen einige Elektronen genug Energie und werden frei beweglich. Elektronen sind negative Ladungsträger. An ihrer alten Stelle fehlt dann ein Elektron. Diese freie Stelle heißt Loch oder Defektelektron.

Ein Loch ist ein gedachter positiver beweglicher Ladungsträger. Es beschreibt das Fehlen eines Valenzelektrons. Der reale Ladungstransport findet weiterhin durch Elektronen statt.

Ein Elektron kann sich frei bewegen. Ein Loch bewegt sich anders: Ein Nachbarelektron springt in das Loch und lässt an seinem alten Platz ein neues Loch zurück. Von außen sieht es so aus, als wanderte ein positives Teilchen in die Gegenrichtung. Beim Anlegen einer Spannung tragen Elektronen und Löcher zum Strom bei.

Silicium ist vierwertig: Jedes Atom hat vier Außenelektronen, die vier Bindungen zu den Nachbarn bilden. Beim Dotieren ersetzen Fremdatome einzelne Siliciumatome.

Bei der n-Dotierung nimmt man fünfwertige Fremdatome, zum Beispiel Phosphor. Sie heißen Donatoren (lateinisch für „schenken“). Ein Außenelektron wird für die Bindungen nicht gebraucht und ist fast frei beweglich. Das n steht für die negative Ladung der Elektronen. Vorwiegend leiten dann Elektronen.

Bei der p-Dotierung nimmt man dreiwertige Fremdatome, zum Beispiel Bor. Sie heißen Akzeptoren (lateinisch für „annehmen“). Ihnen fehlt ein Elektron für die Bindungen, es entsteht ein Loch. Das p steht für die positive Ladung der Löcher. Vorwiegend leiten dann Löcher.

Genannt werden für n-Gebiete Phosphor, Arsen oder Antimon, für p-Gebiete Bor, Indium, Aluminium oder Gallium.

Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen entstehen Bauelemente. Ein Beispiel ist der Bipolartransistor: Drei Schichten npn oder pnp ergeben ihn. Die Buchstaben zeigen die Abfolge der Dotierungsschichten.

Ein Transistor steuert oder verstärkt meistens niedrige Spannungen und Ströme. In integrierten Schaltkreisen dient er zumeist als Ein/Aus-Schalter. Er schaltet einen Teilstrom ein oder aus.

Ein integrierter Schaltkreis (IC) ist eine elektronische Schaltung auf einem dünnen Plättchen aus Halbleiter-Material. Er enthält typischerweise zahlreiche miteinander verbundene Bauelemente wie Transistoren und Dioden. Ein solches Plättchen nennt man Chip. Heutzutage können integrierte Schaltkreise viele Milliarden Bauelemente umfassen, auch in Mikroprozessoren und Speicherchips. Mehr als 99 Prozent der integrierten Schaltkreise nutzen Silicium als Substratmaterial, also als Trägermaterial.

Ein Wafer ist eine meist weniger als ein Millimeter dünne Scheibe aus einem Halbleiter-Einkristall, meist aus Silizium. Auf ihm müssen Bereiche festgelegt werden, die ein Prozessschritt (zum Beispiel Dotieren) verändern soll, und Bereiche, die er nicht verändern soll. Dafür gibt es die Fotolithografie, ein fotografisches Verfahren. Das ist eine vereinfachte Darstellung.

Zuerst wird ein lichtempfindlicher Fotolack auf den Wafer aufgeschleudert. Dann wird das Abbild einer Maske mit Licht (heute meist ein aufgeweiteter Laserstrahl) auf den Lack übertragen. Danach wird der Lack im chemischen Bad entwickelt. Beim Positivlack werden die belichteten Bereiche herausgelöst, beim Negativlack die unbelichteten. Eine Wärmebehandlung stabilisiert die Lackstrukturen.

Jetzt deckt der Lack die Teile des Wafers ab, die unverändert bleiben sollen. Es folgt ein Prozessschritt wie Dotieren, Abscheiden oder Ätzen. Zum Schluss wird der Lack entfernt.