Dopingconcentraties

Dopingconcentraties verwijzen naar het aantal dopant-atomen per volume-eenheid in een halfgeleider of ander materiaal, meestal uitgedrukt als donorconcentratie ND of acceptorconcentratie NA in cm^-3. Dopants zijn onzuiverheden die extra elektronen of gaten leveren aan het materiaal. In silicium bijvoorbeeld dienen fosfor en arsenicum als donoren (n-type), terwijl boor als acceptor werkt (p-type). Bij voldoende hoge dopingsconcentraties overheerst de geleiding door de extra vrije dragers en verschuift het Fermi-niveau.

De waarde van de dopingconcentratie bepaalt of een materiaal n-type of p-type is en hoeveel ladingdragers er beschikbaar zijn. In n-type silicium zijn elektronen de hoofddrager, in p-type silicium de gaten. Bij lage dopings is de conduktie sterk afhankelijk van temperatuur; bij hoge dopings kan het systeem degenereren, waarbij de Fermi-energie in de valentie- of geleidende band ligt. Typische dopings in silicium liggen van 10^14 tot 10^16 cm^-3 voor lichte dopings, tot 10^18–10^20 cm^-3 voor zware dopings. Bij zeer hoge dopings (~10^19–10^20 cm^-3) kunnen mobiliteiten afnemen en krijgt men elektronendragende systemen met kenmerken die dichter bij metalen liggen.

Doping kan op verschillende manieren worden bereikt: diffusie, ionenimplantatie, of in-situ dopen tijdens groei (bijvoorbeeld in moleculaire beam epitaxy of chemische dampdepositie). Dopingprofielen kunnen schouders, abrupt of gebladerd zijn, afhankelijk van de methode en annealing.

Metingen van dopingconcentraties gebeuren met technieken als secundaire ionenmassaspectrometrie (SIMS), spreading resistance profiling en hall-effectmetingen, die zowel de dopingspiegels als de mobiliteit en carrier-concentraties bepalen.

Dopingconcentraties zijn fundamenteel voor de werking van elektronische apparaten zoals diodes en transistors en voor zonnecellen. Ze determineeren schakelpunten, ruis en efficiëntie, en vereisen nauwkeurige controle en karakterisering tijdens fabricage.