Techniklexikon

Donator

Begriff für die Störstelle in einem , Halbleiter, die ein bei ihr lokalisiertes Elektron abgeben kann. D. atome sind Fremdatome in einem Kristallgitter (Kristall), die Störstellen bilden. Das Gegenstück zum D. ist der Akzeptor (Dotieren). In der Elektronik: Lat., Geber. Bezeichnung für Störstellen, die Elektronen abgeben können und dadurch Elektronenleitung im Halbleiter bewirken. Als D. wirken Dotierungsatome (Dotierung), die mehr Valenzelektronen aufweisen als die Wirtsgitteratome, d. h. im Periodensystem der Elemente weiter rechts stehen. Für r Silicium und Germanium sind dies die Elemente der V. und VI. Hauptgruppe, für die III-V-Halbleiter die Elemente der VI. Hauptgruppe. Bei einigen IIIV-Verbindungen können darüber hinaus auch vierwertige Elemente D. sein, wenn sie das Element der III. Hauptgruppe (z. B. Aluminium oder Gallium) substituieren, also auf dessen Platz in das r Gitter eingebaut werden. In der Bauelementefertigung werden als D. für Silicium vor allem Phosphor (P), Arsen (As) und Antimon (Sb) verwendet, als D. für Galliumarsenid hauptsächlich Silicium (Si), Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te), letzteres dient auch als D. für Gal-liumphosphid. Diese Dotanten ergeben sog. flache D., deren Energieniveaus dicht unter der Leitungsbandkante liegen (Bändermodell) und deshalb leicht ionisiert werden können. Ihre Bindungsenergien liegen zwischen 30 und 50 meV, was einer Ionisierungstemperatur von maximal 200 K entspricht (Anregung). Demgemäß sind solche Donatoren durch die thermische Energie bei Raumtemperatur (300 K) vollständig erschöpft (Störstellenleitung). Mit D. dotierte Halbleiterwerkstoffe sind n-Halbleiter. Elektronik, Halbleiterphysik, Donor, eine flache Störstelle im Halbleiterkristall, die in der Lage ist, ein Elektron so schwach zu binden, dass es bereits durch thermische Anregung ins Leitungsband gelangen kann. (Bändermodell)

Diese so erzeugten Elektronen können sich unter Anlegen einer elektrischen Spannung durch den Halbleiter bewegen und tragen so zur elektrischen Leitfähigkeit bei.

Energetisch erzeugt das Potential des Donators in der verbotenen Zone im Abstand von grössenordnungsmässig 10 ^{- 2}eV unterhalb der Leitungsbandkante zusätzliche Energieniveaus, die Donatorniveaus. Bei T = 0 sind alle Donatorniveaus mit Elektronen besetzt. Mit wachsender Temperatur werden die Donatoren in zunehmendem Masse ionisiert, d.h. die Elektronen werden ins Leitungsband angeregt. Die dazu nötige Energie heisst Ionisierungs- oder Bindungsenergie des Donators. Typische Donatoren bzgl. Halbleitern der vierten Spalte des Periodensystems sind die Elemente der fünften Spalte. Ein Beispiel für einen Donator ist Arsen in Silicium. Da Arsen mit fünf Valenzelektronen eines mehr als Silicium hat, bleibt beim Einbau auf einem Silicium-Gitterplatz ein Valenzelektron übrig, das nur schwach gebunden ist, so dass nur eine geringe Ionisierungsenergie E_d benötigt wird, um es ins Leitungsband anzuregen.

Donator: a) Schematische Darstellung der Wirkung eines Arsen-Atoms als Donator in einem Silicium-Kristall. Der Bohrsche Radius der Elektronenbahn ist nicht massstabsgetreu dargestellt, er ist in Wirklichkeit mehr als zehnmal so gross wie der Abstand der Silicium-Atome; b) Lage des Energieniveaus für den Grundzustand eines Donatoratoms. E_d ist die Ionisierungsenergie des Donators; c) Schematische Darstellung der Wirkung eines Bor-Atoms als Akzeptor in einem Silicium-Kristall; d) Lage des Energieniveaus des Grundzustands eines Akzeptor-Atoms. E_a ist die Ionisierungsenergie des Akzeptors.