Störstellenerschöpfung

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Kein enzyklopädischer Artikel: Hingerotzte Formeln ohne Quelle, ohne Einbindung in Zusammenhänge und völlig OMA-untauglich. Die wiederholte Entfernung des SLAs durch den Ersteller werte ich als Einspruch. --jergen ? 19:39, 25. Mär. 2009 (CET)

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Die Störstellenerschöpfung ist ist ein Begriff aus der Festkörperphysik bzw. Halbleiterelektronik. Er kennzeichnet bei der Störstellenleitung (einem Leitungsmechanismus von elektrischem Strom in Halbleitern) den Temperaturbereich, bei dem alle Störstellen ihre Ladungsträger (Elektronen) in das Leitungsband abgeben haben. Der Bereich schließt sich an die sogenante Störstellenreserve an, bei dem noch durch Störstellen verursachte Energieniveaus in der Energielücke von Halbleitern noch teilweise besetzt sind.

Beschreibung

Leitungsmechanismen im dotierten und undotiertem Halbleiter in Abhängigkeit von der Temperatur

Das Einbringen von Verunreinigungen in einen Halbleiterkristall (Dotierung) verursacht die Ausbildung von sogenannten Störstellen (engl. traps) im Bereich der Energielücke, das heißt in dem Energiebereich zwischen dem Valenz- und Leitungsband, das aus quantenmechanischen Gründen nicht durch Elektronen besetzt werden kann. Für Donatorstörstellen, Störstellen die Elektronen abgeben (z. B. bei der Dotierung von Silizium durch Phosphor), bedeutet dies, dass Elektronen leichter in das Leitungsband angeregt werden können, als bei hochreinen Halbleitern. Die Ursache liegt im geringeren Energieabstand zum Leitungsband, so dass weniger Energie (beipielsweise durch Wärmezuführ) für diesen Vorgang benötigt wird.

Bei üblichen Dotierungskonzentrationen der meisten Halbleiter beginnt der Bereich der Störstellen unterhalb der Betriebstemperatur (meist Raumtemperatur). Die Störstellenleitung ist in diesem Fall Hauptmechanismus für das Bereitstellen freier Ladungsträger und die Ladungsträgerkonzentration hängt im wesentlichen nur von der ursprünglichen Dotierungkonzentration des Halbleiters ab.

Störstellenerschöpfung bezeichnet einen Temperaturbereich, bei dem das Fermi-Niveau $E_{\mathrm {F} }$ zwischen intrinsischem Fermi-Niveau $E_{\mathrm {i} }$ und effektivem Donatorniveau ${E_{\mathrm {D} }}^{*}$ liegt:

$E_{\mathrm {i} }\leq E_{\mathrm {F} }\leq {E_{\mathrm {D} }}^{*}$.

Auf Grund dieser Lage des Fermi-Niveaus lässt sich die Annahme treffen, dass alle Donatoren ionisiert sind und es gilt somit:

$n\approx {N_{\mathrm {D} }}^{+}\approx N_{\mathrm {D} }$.

Analog lässt sich die Aussage treffen, dass für die Löcherdichte im Valenzband gilt:

$p\approx {N_{\mathrm {A} }}^{-}\approx N_{\mathrm {A} }$.

wobei $n$ die Elektronenkonzentration im Leitungsband, $p$ die Löcherkonzentration im Valenzband und $N_{\mathrm {D} }$ bzw. $N_{\mathrm {D} }$ die Konzentration der Donatoren bzw. Akzeptoren ist.

Literatur

• Frank Thuselt: Physik der Halbleiterbauelemente: Einführendes Lehrbuch für Ingenieure und Physiker. Springer, Berlin, 2004, ISBN 3-540-22316-9. 

Weblinks

• Universität-Ulm: Ladungsträgerdichten im dotierten Halbleiter