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n-Typ- vs. p-Typ-Halbleiter: Unterschiede im Überblick

Ein n-Halbleiter entsteht, wenn Silizium mit Elementen der V. Hauptgruppe wie Phosphor oder Arsen (Donatoren) dotiert wird; die überzähligen Elektronen sind die Majoritätsladungsträger. Ein p-Halbleiter entsteht durch Dotierung mit Elementen der III. Hauptgruppe wie Bor (Akzeptoren); die durch Elektronenmangel entstehenden Löcher sind die Majoritätsladungsträger. Das Fermi-Niveau verschiebt sich beim n-Typ zum Leitungsband und beim p-Typ zum Valenzband. Da in Silizium die Elektronenbeweglichkeit etwa 2- bis 3-mal so hoch ist wie die Löcherbeweglichkeit, hat n-Silizium bei gleicher Dotierkonzentration einen niedrigeren spezifischen Widerstand.

Merkmaln-Typp-Typ
Dotierstoffe (Silizium)Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) aus der V. HauptgruppeBor (B) aus der III. Hauptgruppe. Daneben z. B. Indium
Bezeichnung und Funktion der StörstelleDonator. Gibt ein Elektron abAkzeptor. Nimmt ein Elektron auf und erzeugt ein Loch im Valenzband
Ladung der ionisierten StörstellePositiv. Ortsfest im GitterNegativ. Ortsfest im Gitter
Störstellenniveau (Silizium)Etwa 0,045 eV (Phosphor) bzw. etwa 0,054 eV (Arsen) unter der LeitungsbandkanteEtwa 0,045 eV (Bor) über der Valenzbandkante
Majoritäts-/MinoritätsladungsträgerElektronen/LöcherLöcher/Elektronen
Ladungsträgerdichte (bei vollständiger Ionisation)n ≈ ND, p = ni² / NDp ≈ NA, n = ni² / NA
Fermi-NiveauOberhalb des intrinsischen Fermi-Niveaus, zum Leitungsband hin. Je höher die Dotierung, desto näher am LeitungsbandUnterhalb des intrinsischen Fermi-Niveaus, zum Valenzband hin. Je höher die Dotierung, desto näher am Valenzband
Beweglichkeit der Majoritätsträger (niedrig dotiertes Silizium, Richtwert)Elektronen etwa 1400 cm²/V·sLöcher etwa 450 cm²/V·s
Spezifischer Widerstand bei gleicher DotierungNiedrigEtwa 2- bis 3-mal höher als beim n-Typ
Einsatz in CMOSSource/Drain von nMOS, n-Wanne für pMOSSource/Drain von pMOS, p-Wanne für nMOS. Siliziumwafer für CMOS sind meist p-Typ

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

n-Typ
Wenn Elektronen den Strom tragen sollen. Verwendet für Source/Drain von nMOS, Emitter und Kollektor von npn-Transistoren sowie die n-Wanne für pMOS.
p-Typ
Wenn Löcher den Strom tragen sollen. Verwendet für Source/Drain von pMOS, die Basis von npn-Transistoren sowie die p-Wanne für nMOS.
Kombination
Wo n- und p-Gebiet aneinandergrenzen, entsteht ein PN-Übergang, die Grundlage von Dioden, Transistoren, Solarzellen, LEDs usw. In der Fertigung wird auch eine bestehende Schicht durch hohe Dotierung mit dem entgegengesetzten Typ umgedreht (Gegendotierung).

Häufige Fragen

Ist ein n-Halbleiter wegen der vielen Elektronen insgesamt negativ geladen?

Nein, insgesamt ist er elektrisch neutral. Gibt ein Donator ein Elektron ab, bleibt er selbst als positives Ion im Gitter zurück und gleicht die negative Ladung des Elektrons aus. Beim p-Typ gilt dasselbe: Die positive Ladung der Löcher und die negative Ladung der ionisierten Akzeptoren halten sich die Waage.

Gibt es auch im n-Typ Löcher?

Ja. Im thermischen Gleichgewicht ist das Produkt aus Elektronen- und Löcherdichte gleich dem Quadrat der intrinsischen Ladungsträgerdichte (n × p = ni²). Bei einer Donatorkonzentration von 1×10¹⁶ cm⁻³ beträgt die Löcherdichte bei Raumtemperatur daher etwa 1×10⁴ cm⁻³. Es sind nur wenige, doch diese Minoritätsladungsträger spielen eine wichtige Rolle für die Funktion von PN-Übergängen und Bipolartransistoren.

Was passiert, wenn man sowohl Donatoren als auch Akzeptoren zugibt?

Sie heben sich gegenseitig auf (Kompensation), und es ergibt sich der Typ der höheren Konzentration. Die Ladungsträgerdichte wird näherungsweise durch die Differenz der Konzentrationen bestimmt, die Beweglichkeit sinkt jedoch durch Streuung an beiden Arten ionisierter Störstellen. Beim Erzeugen von Source/Drain des entgegengesetzten Typs in einer Wanne nutzt man diese Eigenschaft, um den Typ umzukehren.

Warum liegt das Fermi-Niveau bei n- und p-Typ unterschiedlich?

Das Fermi-Niveau ist die Energie, bei der die Besetzungswahrscheinlichkeit durch Elektronen 1/2 beträgt, und beschreibt so die Verteilung der Ladungsträger. Beim n-Typ mit vielen Elektronen im Leitungsband liegt es zum Leitungsband hin, beim p-Typ, in dem Elektronen im Valenzband fehlen und viele Löcher vorhanden sind, zum Valenzband hin. In Silizium bei Raumtemperatur rückt es mit jeder Verzehnfachung der Dotierung um etwa 60 mV näher an die Bandkante.

Verständnis prüfen

Welche Aussage ist richtig, wenn Silizium mit Phosphor (P) als Dotierstoff versetzt wird?

  1. AEs wird zu einem p-Halbleiter mit Löchern als Majoritätsladungsträgern
  2. BEs wird zu einem n-Halbleiter mit Elektronen als Majoritätsladungsträgern
  3. CDie Ladungsträger nehmen nicht zu, es bleibt ein intrinsischer Halbleiter
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: B. Es wird zu einem n-Halbleiter mit Elektronen als Majoritätsladungsträgern

Phosphor gehört zur Gruppe V und hat fünf Valenzelektronen; gegenüber den kovalenten Bindungen des Siliziums (Gruppe IV) bleibt ein Elektron übrig. Dieses Elektron ist nur schwach an ein flaches Niveau von etwa 0,045 eV gebunden und gelangt bei Raumtemperatur nahezu vollständig ins Leitungsband und wird zum Leitungselektron. Solche Dotierstoffe heißen Donatoren, und es entsteht ein n-Halbleiter. Auch Arsen (As) und Antimon (Sb) sind Donatoren. Für p-Leitung werden Elemente der Gruppe III wie Bor (B) (Akzeptoren) zugegeben.

Welche Aussage ist richtig, wenn Silizium mit Bor (B) als Dotierstoff versetzt wird?

  1. AEs ist elektrisch inaktiv, und der Leitungstyp ändert sich nicht
  2. BEs wirkt als Donator, und es entsteht ein n-Halbleiter
  3. CEs wirkt als Akzeptor, und es entsteht ein p-Halbleiter
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: C. Es wirkt als Akzeptor, und es entsteht ein p-Halbleiter

Bor gehört zur Gruppe III und hat drei Valenzelektronen; für die kovalenten Bindungen fehlt also ein Elektron, und es nimmt Elektronen aus der Umgebung auf. Dadurch entstehen Löcher im Valenzband, und das Silizium wird p-leitend. Bor ist der typische Akzeptor in Silizium; sein Niveau liegt mit etwa 0,045 eV flach über dem Valenzband, und bei Raumtemperatur ist es nahezu vollständig ionisiert. Da das Atom leicht ist und schnell diffundiert, werden für flache Übergänge Implantation mit niedriger Energie oder die Implantation von BF2 eingesetzt.

Welche Ladungsträger sind die Majoritätsladungsträger eines p-Halbleiters?

  1. AIonisierte Akzeptoren
  2. BLöcher
  3. CElektronen
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: B. Löcher

Im p-Typ nehmen Akzeptoren Elektronen aus dem Valenzband auf, sodass Löcher zunehmen; die Majoritätsladungsträger sind Löcher, die Minoritätsladungsträger Elektronen. Ionisierte Akzeptoren sind im Gitter fixierte negative Ladungen und selbst nicht beweglich. In der Verarmungszone sind diese festen Ladungen jedoch die Hauptakteure, die das elektrische Feld und die Diffusionsspannung erzeugen. Beim MOSFET werden an der Oberfläche eines p-Substrats Elektronen als Minoritätsladungsträger gesammelt (Inversion), um einen n-Kanal zu bilden.

  1. Welche Lage des Fermi-Niveaus eines n-Halbleiters ist richtig?
  2. Welche Lage in der Bandlücke hat das von Phosphor in Silizium erzeugte Donatorniveau?
  3. Welche Kombination aus in Silizium implantiertem Dotierstoff und Leitungstyp ist korrekt?

Übungsfragen zu Halbleiterphysik

Wichtige Begriffe erklärt

Donator (Donor)
Dotierstoff, der einem Halbleiter Elektronen liefert. In Silizium sind es Elemente der Gruppe V wie Phosphor (P) oder Arsen (As), die einen n-Halbleiter erzeugen.
Akzeptor
Dotierstoff, der Elektronen aus dem Halbleiter aufnimmt und dadurch Löcher erzeugt. In Silizium sind es Elemente der III. Hauptgruppe wie Bor (B); sie erzeugen p-Halbleiter.
Fermi-Niveau
Energie, bei der die Besetzungswahrscheinlichkeit durch Elektronen genau 1/2 beträgt. Beim n-Typ liegt sie näher am Leitungsband, beim p-Typ näher am Valenzband.
Beweglichkeit (Mobilität)
Maß dafür, wie leicht sich Ladungsträger in einem elektrischen Feld bewegen. In Silizium ist die Beweglichkeit der Elektronen größer als die der Löcher.
Intrinsische Ladungsträgerdichte
Durch Wärme erzeugte Dichte von Elektronen und Löchern in einem undotierten Halbleiter (geschrieben ni). In Silizium bei Raumtemperatur etwa 1×10¹⁰ cm⁻³; sie steigt mit der Temperatur stark an. Im thermischen Gleichgewicht gilt n × p = ni².

Verwandte Vergleiche