Dotierungskonzentrationen

Dotierungskonzentrationen bezeichnen die Anzahl der Dotieratome pro Volumen eines Halbleiters und werden üblicherweise in Atomen pro Kubikzentimeter (cm^-3) angegeben. Üblicherweise werden Dotierungen als Donatoren (ND) oder Akzeptoren (NA) unterschieden. Die Nettodotierung ergibt sich aus NA und ND: Für n-Typ-Dotierung überwiegen Donatoren, für p-Typ-Dotierung Übergewicht der Akzeptoren. Bei ausgeprägter Kompensation gleichen sich deren Wirkungen teilweise aus.

Dotierungen werden durch verschiedene Verfahren eingebracht, zum Beispiel durch Diffusion oder Ioneneinbruch (Ionimplantation). Nach dem Einbringen erfolgt oft eine Aktivierung durch Wärmebehandlung, damit die Dotieratome in Subgitternetzpositionen substituierbar sind. Die Dotierungskonzentration beeinflusst Form und Lage der Leitungsbänder, die Trägerdichte und damit die elektrischen Eigenschaften des Materials. Bei Raumtemperatur ist ein großer Teil der Dotieratome oft vollständig ionisiert, sodass die Trägerdichte dem Dotierungsniveau annähern kann; bei sehr tiefen Temperaturen oder hohem Energieabstand der Donatoren kann die Ionisierung eingeschränkt sein.

Auswirkungen auf elektrische Eigenschaften sind zentral: Die Leitfähigkeit σ hängt von der Ladung q und den Trägermobilitäten nμn und pμp ab, wobei n die Elektronenkonzentration und p die Lochkonzentration ist. Höhere Dotierungsniveaus ermöglichen stärkere Injektion und schmalere PN-Übergänge, gehen aber mit höheren Licht- und Diffusionsverlusten einher. Bei sehr hohen Dotierungskonzentrationen spricht man von degenerierter Dotierung, die den Fermi-Niveau in die Bandstrukturen verschiebt.

Messmethoden zur Bestimmung der Dotierungskonzentration umfassen SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry), C-V-Profile (Kapazitäts-Spannungskennlinien) und ECV-Analysen. Dotierungsprofile können abschnitts- oder schichtweise variieren und sind entscheidend für Transistor-, Diode- oder Solarzellenarchitekturen.