Dotierung ist das Einbringen von Fremdatomen in einen Festkörper.

Durch diesen Prozess werden die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters verändert. Der p-n-Übergang zwischen zwei speziell dotierten Halbleitern bildet das Kernelement, das die Funktion von Solarzellen überhaupt erst ermöglicht.

Warum müssen Halbleiter dotiert werden?

In der Photovoltaik werden Halbleiter generell verwendet, um den Photoelektrischen Effekt auszunutzen und in den Solarmodulen Energie zu erzeugen. Damit ein Halbleiter leitend wird, muss ihm aber erst Energie zugeführt werden zum Beispiel durch Wärme oder Licht. Erst dann springen die Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband (siehe Bändermodell) und der Halbleiter wird zum Leiter.

Insbesondere in der Photovoltaik ist es aber wünschenswert, dass ein Halbleiter nicht erst bei hohen Temperaturen, sondern schon bei Raumtemperatur leitet. Das kann durch die sogenannte Dotierung erreicht werden, bei der Materialien mit ganz bestimmten Eigenschaften in den Halbleiter eingebracht werden, um seine Leitfähigkeit zu verändern.

Um zu verstehen, was dabei im Halbleiter genau passiert, schauen wir uns zunächst einen undotierten Festkörper auf atomarer Ebene an.

Atomgitter im Festkörper

Da in einem Festkörper sehr viele Atome miteinander interagieren, wird es schnell unübersichtlich, wenn man versucht, sämtliche Elektronen mit all ihren Schalen aufzuzeichnen. Deshalb nutzen wir eine vereinfachte Darstellung des Schalenmodells, in der lediglich der Kern und die Außenelektronen abgebildet werden.

Im Festkörper bilden die Außenelektronen benachbarter Atome sogenannte Elektronenpaare, die dann zu beiden Atomen gleichzeitig dazugehören. So kann ein Silizium-Atom an vier seiner Nachbarn andocken und bildet ein stabiles Gitter, in dem die Atome festsitzen.

Bei einem Halbleiter im Grundzustand, befinden sich alle diese Elektronen, gebunden an die zugehören Atome, im Valenzband.

Wird dem Halbleiter nun Energie hinzugefügt, zum Beispiel durch eine Temperaturerhöhung oder durch Lichteinstrahlung, geraten die Gitteratome in Schwingung. Dadurch können sich Elektronen herauslösen, die nun nicht mehr an spezielle Atome gebunden sind.

Sie steigen vom Valenzband in das Leitungsband und können sich frei durch den Halbleiter bewegen – deshalb werden sie auch freie Elektronen genannt.

Ein freigewordenes, negativ geladenes Elektron hinterlässt dabei im Gitter eine leere Stelle, diese wird auch als Loch oder Defektelektron bezeichnet, welches positiv geladen ist. Hierbei handelt es sich explizit nicht um ein Proton, sondern lediglich um ein fehlendes Elektron.

Die freien Elektronen können nun als Ladungsträger dienen. Wenn eine Spannungsquelle angeschlossen wird, fließen die Elektronen zum Pluspol und die Löcher „bewegen“ sich in Richtung des Minuspols.

In der Photovoltaik ist es, wie bereits erwähnt, störend, dass dem Halbleiter erst Energie (Wärme/Licht) zugeführt werden muss, bevor er anfängt zu leite. Deshalb wird der Halbleiter gezielt verunreinigt (dotiert), um seine leitenden Fähigkeiten zu verbessern, damit er bereits bei Raumtemperatur leitend wird.

Was bedeutet Dotierung bei Halbleitern?

Dotierung bezeichnet den gezielten Einbau von Fremdatomen in das Halbleitermaterial, um dessen elektrische Eigenschaften zu verändern. Es gibt zwei Arten von Dotierung: n-Dotierung (negative Dotierung) und p-Dotierung (positive Dotierung).

Was ist n-Dotierung?

Bei der n-Dotierung werden Atome eingefügt, die mehr Valenzelektronen besitzen als das verwendete Halbleitermaterial. Diese überschüssigen negativen Ladungsträger (Elektronen) sind im Leitungsband frei beweglich.

Bei Silizium, das vier Außenelektronen besitzt, kann man Phosphor als Donator für die n-Dotierung verwenden, da sich 5 Elektronen in seiner äußeren Schale befinden.

Wenn das Phosphor im Gitter eingebunden wird, koppeln vier seiner Außenelektronen mit den Außenelektronen von Silizium. Ein Elektron bleibt dabei als freies Elektron. Deshalb ist der nun n-dotierte Halbleiter schon bei Raumtemperatur leitfähig.

Was ist p-Dotierung?

Bei der p-Dotierung werden Atome eingefügt, die weniger Valenzelektronen besitzen als der Halbleiter, was zu freien positiven Ladungsträgern (sogenannten „Löchern“) führt.

Hier ist Bor geeignet, das mit 3 Außenelektronen genau ein Elektron auf der äußeren Schale weniger besitzt als Silizium und deshalb als Akzeptor fungiert.

Legt man nun eine Spannung an den Halbleiter, wandern bei der n-Dotierung die freien Elektronen zum Pluspol. Im p-Dotierten Halbleiter „wandern“ die Löcher zum Minuspol (eigentlich bewegen sich die Elektronen über die Löcher Richtung Pluspol).

Durch die Dotierung von Halbleitern werden also freie Elektronen bzw. Löcher erzeugt, die sich schon bei Raumtemperatur im Leitungsband bewegen können. Dieser Fakt wird beim p-n-Übergang ausgenutzt

Was ist ein p-n-Übergang und wie funktioniert er?

Ein p-n-Übergang ist die Grenzfläche oder ein Übergangsbereich zwischen einem p-dotierten und einem n-dotierten Halbleitermaterial.

Bei der Erstellung des Übergangs diffundieren Elektronen aus dem n-dotierten Bereich in den p-dotierten Bereich und hinterlassen positiv geladene Ionen. Umgekehrt diffundieren Löcher aus dem p-dotierten Bereich in den n-dotierten Bereich und hinterlassen negativ geladene Ionen.

Dieser Bereich, in dem positive und negative Ionen zurückbleiben, wird als Verarmungszone oder Raumladungszone bezeichnet. Sie erzeugt ein elektrisches Feld, das den weiteren Diffusionsprozess verhindert und einen Spannungsabfall über dem Übergang erzeugt.

Treffen nun Photonen auf diesen Bereich, werden neue Elektronen frei, die durch die Raumladungszone in dieselbe Richtung gezogen werden. Ein Photonenstrom entsteht.

Was passiert am p-n-Übergang, wenn eine Spannung angelegt wird?

Wird nun eine Spannung angelegt, die in die gleiche Richtung wie das interne elektrische Feld des p-n-Übergangs (die sogenannte Sperrspannung) zeigt, wird die Verarmungszone breiter und der Stromfluss wird verhindert. Diesen Zustand bezeichnet man als Sperrrichtung.

Im Gegensatz dazu, wenn die angelegte Spannung gegen die Richtung des internen elektrischen Feldes (die sogenannte Durchlassspannung) zeigt, wird die Breite der Verarmungszone reduziert und es fließt Strom. Diesen Zustand bezeichnet man als Durchlassrichtung.

Diese einseitige Stromleitungseigenschaft ist der Grund, warum der p-n-Übergang auch als Diode genutzt wird.

Fazit

Das Verständnis von Halbleitern, ihrer Dotierung und der Funktionsweise von p-n-Übergängen ist grundlegend für viele moderne Technologien, insbesondere in der Photovoltaik und Elektronik.

Bei der Dotierung von Halbleitern werden Fremdatome in das Grundmaterial eingebracht. Das erhöht die Leitfähigkeit des Halbleiters schon bei niedrigen Temperaturen.

Außerdem erzeugt der Übergang zwischen p-dotierten und n-dotierten Halbleitern eine Raumladungszone, die die für den Bau von Solarmodulen verwendet wird, um den Photoelektrischen Effekt auszunutzen.

Kurz gesagt

Kurz gesagt:
Dotierung ist der Prozess, bei dem Fremdatome in einen Halbleiter eingefügt werden, um dessen elektrische Eigenschaften zu ändern und ihn leitfähig zu machen. Dies ermöglicht die Nutzung des Photoelektrischen Effekts in der Photovoltaik.

Dabei gibt es zwei Dotierungstypen. Das eine ist die n-Dotierung (negativ), die überschüssigen Elektronen einbringt, und das andere ist die p-Dotierung (positiv), die „Löcher“ erzeugt. Beide Dotierungstypen ermöglichen Leitung bei Raumtemperatur.

Der p-n-Übergang, eine Grenzfläche zwischen p- und n-dotierten Halbleitern, spielt eine Schlüsselrolle in der Funktion von Solarzellen.

Nachgefragt:

Warum werden Halbleiter dotiert?

Halbleiter werden dotiert, um ihre elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen und um gezielt elektrische Felder im Material zu erzeugen.

Insbesondere ermöglicht die Kombination von p-dotierten und n-dotierten Bereichen in einem Halbleiter die Schaffung eines p-n-Übergangs, der eine zentrale Rolle in vielen Halbleiterbauelementen wie Dioden, Transistoren und Solarzellen spielt.

Wie beeinflusst die Dotierung die Eigenschaften von Halbleitern?

Die Dotierung ändert die Anzahl und Art der Ladungsträger im Halbleiter und somit dessen Leitfähigkeit.

Bei einer n-Dotierung erhöht sich die Anzahl der freien Elektronen, was die Leitfähigkeit erhöht. Bei einer p-Dotierung erhöht sich die Anzahl der „Löcher“, also Stellen im Valenzband, an denen Elektronen fehlen und die daher von Elektronen leicht besetzt werden können, was ebenfalls die Leitfähigkeit erhöht.

Außerdem führt die Dotierung zur Entstehung von lokalen elektrischen Feldern, die den Transport von Ladungsträgern beeinflussen.

Welche Rolle spielt der PN-Übergang in elektronischen Geräten?

Die p-n-Übergänge sind Grundlage für viele Halbleiterbauteile, darunter Dioden, Transistoren und Solarzellen.

• In einer Diode zum Beispiel lässt der p-n-Übergang den Strom nur in einer Richtung fließen.
• In einem Transistor wirkt der p-n-Übergang als Steuerelement für den Stromfluss.
• In Solarzellen absorbiert der p-n-Übergang Lichtenergie und erzeugt einen elektrischen Strom.