A dópolás (magyar szakkifejezéssel ritkábban szennyezés) a félvezetőiparban és -kutatásban gyakran alkalmazott eljárás, mely során a félvezető anyagokba szándékosan juttatott szennyezőkkel befolyásolják azok fizikai, főként elektromos jellemzőit.
A dópolással megváltoztatott jellemzőkkel bíró félvezetőket extrinszik félvezetőknek, míg a dópolatlan félvezetőket intrinszik, vagy másképpen tiszta félvezetőknek nevezzük.
Mérsékelt dópolás hatására a félvezető sávszerkezete kisebb mértékben módosul, de a tiltott sávban megjelenő donor ill. akceptor nívók jelentősen változtathatják az elektromos vezetési mechanizmust és a töltéshordozó-koncentrációt. Erős dópolás hatására (ha a félvezetőbe nagy mennyiségű dópoló atom épül be) a félvezető sávszerkezetében jelentősebb változások történhetnek. Az olyan félvezetőt, mely például erős dópolás hatására vezetési jellegét tekintve inkább a fémes vezetőkhöz hasonlít, degenerált félvezetőnek nevezzük. A szennyezők koncentrációja az intrinszik anyaghoz képest általában még erős dópolás esetén is igen kicsi.
Története Tapasztalati megfigyelések már régóta rendelkezésre állnak a dópolás egyes hatásairól, melyeket rádiódetektorok és szelén egyenirányítók készítésekor már figyelembe vettek. A dópolás, mint tervezett szennyezés eljárását később John Robert Woodyard dolgozta ki a második világháború alatt folytatott radar fejlesztéssel kapcsolatos kutatásai során.U.S. Patent 2,530,110 filed, 1944, granted 1950"John Robert Woodyard, Electrical Engineering: Berkeley". A Bell Labs intézet kutatói, Gordon K. Teal és Morgan Sparks szintén jelentős eredményeket ért el.Sparks, Morgan and Teal, Gordon K. "Method of Making P-N Junctions in Semiconductor Materials", U.S. Patent 2,631,356 (Filed June 15, 1950.
Hatásai Már alacsony szennyezőkoncentráció is nagy hatással lehet a félvezető elektromos jellemzőire. Ha a szennyezők koncentrációja a tömbi anyag atomjaihoz képest százmilliomod résznyi, akkor alacsony dópolási szintről beszélünk, ha viszont a szennyezők aránya tízezred résznyi, akkor at mondjuk, hogy az anyag erősen dópolt. A dópolási szint jelölése a megfelelő típus betűjele melletti + és - jellel történik, pl. p-, n++, stb.
Töltéshordozó-koncentráció A dópolás során szennyezőket juttatnak az anyagba, melyek mennyisége hatással van az anyag elektromos jellemzőire. Ezek közül a legfontosabb hatás, ami gyakran a dópolás legfontosabb célja is, hogy az anyagban megváltozik a töltéshordozók koncentrációja. Intrinsic félvezetőben termikus egyensúlyban az elektronok és az elektronlyukak száma megegyezik:
Egy gyengén dópolt félvezetőben, termikus egyensúly esetén az alábbi összefüggés érvényes: , ahol n0 a vezető elektronok, p0 az elektronlyukak koncentrációja és ni az anyag intrinszik töltéshordozó-koncentrációja. Ez utóbbi függ az anyagi minőségtől és a hőmérséklettől, például szilícium esetén ni értéke 300 K-en, (szobahőmérsékleten) hozzávetőlegesen 1,08×1010 cm−3.A.B Sproul, M.A Green (1991).
A szennyezők koncentrációjának emelésével általában nő a vezetőképesség, mivel nő azon töltéshordozók száma, melyek a vezetésben részt vehetnek. Szélsőséges mértékben dópolt (degenerált) félvezetők vezetési jellegüket tekintve már a fémekét közelíthetik meg, melyet egyes integrált áramkörökben ki is használnak, amikor fémek helyett ilyen erősen dópolt félvezetőket alkalmaznak. A félvezetők dópolási szintjének jelzésére bevett jelölés a dópolási típus betűjele feletti plusz- vagy mínuszjel, például n+ jelölhet egy n típusú, erősen dópolt, illetve degenerált félvezetőt. Hasonlóképpen p− jelölhet p típusú, gyengén dópolt félvezetőt.
A félvezetők dópolásakor a szennyezők koncentrációja még erős dópolásnál is jelentősen elmarad az intrinszik összetevőkétől. A kristályos szilíciumban az atomsűrűség nagyjából 5×1022 atom/cm³, míg bennük a tipikus dópolási koncentráció általában 1013 cm−3 to 1018 cm−3 körül alakul. Szilícium esetén szobahőmérsékleten jellemzően a 1018 cm−3 feletti dópolási szintek hoznak létre degenerált félvezetőt, ekkor a szennyezők aránya egy 1/1000 nagyságrendjébe esik. Gyengén dópolt szilíciumban ugyanez az arány tipikusan 1/1000000000 körül van. A dópolás mértékének változtatásával a félvezető tulajdonságok széles skálán változtathatók.
A sávszerkezet módosítása dópolással right|thumb|500x500px| Nyitóirányban előfeszített p-n átmenet sávdiagramja, melyen látható a kiürített tartomány leszűkülése. Mind a p, mind az n tartomány dópolási koncentrációja 1×1015/cm³, ami köztük nagyjából 0.59 V feszültségkülönbséget okoz. A dópolás során a félvezetőbe juttatott szennyezők megengedett energiaszinteket alakítanak ki a tiltott sáv belsejében. A szennyezőket aszerint kategorizálják, hogy mely sávhoz vannak közel ezek az új állapotok. Donor állapotoknak nevezzük azokat az állapotokat, melyek a vezetési sáv alja közelében alakulnak ki és az ilyen állapotokat kialakító szennyezőket donor típusú szennyezőknek nevezzük. Hasonlóképpen, ha egy szennyező a vezetési sáv közepén alakít ki új állapotokat, akkor a szennyezőt akceptor szennyezőnek, az új állapotokat akceptor állapotoknak nevezzük. Az akceptor és donor állapotok energiaszintjére szokásos még a donor nívó és akceptor nívó elnevezéseket használni. Ezen energiaszintek és a hozzájuk közel eső sáv energiakülönbségét a dópolási nívó kötési energiájának nevezzük. Ez az EB energia jellemzően kicsi a tiltott sávhoz képest. Például bórral szennyezett szilícium esetén ez az energia 0,045 eV, mely a tiltott sáv 1,12 eV szélességéhez képest elég kicsi. Az EB kötési energia általában olyan kicsi, hogy szobahőmérsékleten létrejöhet a szennyező atomok termikus ionizációja, ami során szabad töltéshordozók jelennek meg a vezetési- vagy vegyértéksávban.
A szennyezők másik fontos hatása a sávok eltolása a Fermi-szinthez képest. A dópolás hatására a Fermi-szint közeledni fog ahhoz a sávhoz, mely közelében nagy koncentrációjú dópolással donor vagy akceptor nívót hozunk létre. Mivel termikus egyensúlyban egy rendszer minden pontján azonos a Fermi-szint, így például különféle módon dópolt rétegek egymásra helyezésével az egyes rétegek sávszerkezetében sávelhajlás jön létre, melynek sokféle elektromos alkalmazása van. Alapvető példa a p-n átmenet, melyben a kiürített tartományt az alakítja ki, hogy az egymás mellett kontaktusba hozott p és t tartományok között a Fermi-szint kiegyenlítődik, mely úgy lehetséges, ha a kontaktus közelében a két tartomány energiasávjai elhajlanak. A rétegszerkezetek sávelhajlásainak szokásos ábrázolása a sávdiagram, mely általában a vezetési és vegyértéksávok széleit, illetve a donor és akceptor nívókat mutatja valamilyen térbeli koordináta (gyakran a rétegszerkezet felületeire merőleges irány) függvényében. Gyakran érdemes az ábrán jelölni az egyensúlyi Fermi-szintet és a dópolás nélkül érvényes Ei intrinszik Fermi-szintet is. Sávdiagramok segítségével sok félvezető eszköz működése könnyen szemléltethető.
Összefüggés a töltéshordozó-koncentrációval Kis dópolási koncentráció esetén az energiaállapotokon kevés elektron vagy elektronlyuk található. Így leírásuk egyszerű összefüggésekkel lehetséges anélkül, hogy a Maxwell–Boltzmann-eloszlást írnánk fel rájuk (ami végső soron a Pauli-féle kizárási elv következménye):
ahol EF a Fermi-szint, EC a vezetési sáv minimuma és EV a vegyértéksáv maximuma. Az intrinszik töltéshordozó-koncentráció:Green, M. A. (1990).
mely összefüggés a dópolástól nem változik, mivel EC - EV (a tiltott sáv szélessége) nem függ a dópolástól.
A koncentrációk tehát megadhatók:
ahol me* és mh* rendre az elektronok és a lyukak effektív tömege, melyek a hőmérséklettől jelen közelítésben függetlennek tekinthetőek.
Töltéskompenzáció Általános esetben egy félvezetőben sokféle szennyező lehet jelen, melyek egy része donor, másik része akceptor jellegű. Ha a donor és akceptor szennyezőkből származó töltéshordozók száma megegyezik, akkor az összes donoroktól származó elektron az akceptoroknál hiányzó elektronokat fogja kompenzálni, azaz sem elektron, sem lyuk jellegű szabad töltéshordozók nem lesznek az anyagban. Ezt a jelenséget nevezzük töltéskompenzációnak. Ha jelen vannak donor és akceptor szennyezők is, de számuk nem azonos, akkor részleges kompenzációról beszélünk. Egymást követő dópolásokkal elérhető, hogy egyazon anyagban különböző tartományok különböző dópolási jellegűek és erősségűek legyenek, mely eljárást sok félvezető eszközben alkalmaznak.Alan Hastings - The Art of Analog Layout, 2nd ed (2005, )
Bár a dópolási jelleg n-ből p-be és vissza fordítható újabb és újabb dópolási lépésekkel (ugyanis ez az elektron és lyuk típusú töltéshordozók számának különbségétől függ), de fontos következmény, hogy a töltéshordozó mobilitás eközben egyre csökken, ugyanis az nem a donor és akceptor ionok számának különbségétől függ, hanem ezek össz számával van összefüggésben.
A dópolás hatása a mágneses jellemzőkre Az úgynevezett mágneses dópolással kapcsolatos kutatások rámutattak, hogy bizonyos dópolási folyamatok olyan jellemzőkre is hatással lehetnek, mint az anyag hőkapacitása, mely a mágneses jellemzőkkel kapcsolatban áll.
Eljárásai
Gőzfázisú dópolás Az n típusú félvezetők előállításának egyik lehetséges módja a gőzfázisú epitaxia. Ekkor a negatív szennyezőket tartalmazó gáz átáramoltatása juttatja a félvezetőbe a szennyezőket. Például GaAs dópolása esetén hidrogén-szulfidot áramoltatnak át a félvezetőn, amitől a kén beépül a félvezető szerkezetébe.Schubert, E. F. (2005). A gyakorlatban gyakran van szükség arra, hogy a félvezetőnek csak egy vékony tartománya legyen dópolt.Deen, William M. (1998).
Dópolás a szelet gyártásakor Néhány szennyező hozzáadása már a szelet előállításkor hozzáadható a félvezetőhöz. Például szilícium gyártásakor a Czochralski-módszer során már a szilícium olvadékhoz hozzáadható bór vagy foszfor, így az elkészült szeletek már eleve uniform módon dópoltak.Levy, Roland Albert (1989). Az összetettebb struktúrákban egyes tartományok szelektív dópolására van szükség, ami a félvezető felületének például fotolitográfiával történő maszkolásával érhető el,"Computer History Museum - The Silicon Engine|1955 - Photolithography Techniques Are Used to Make Silicon Devices". illetve a diffúzióComputer History Museum - The Silicon Engine 1954 - Diffusion Process Developed for Transistors és az ionimplantáció is gyakori módszerek az ipari gyakorlatban.
Szerves vezetők dópolása A vezető polimerek dópolása oxidálószer vagy olykor redukálószer hozzáadásával történik, melynek következtében töltéshordozók jelennek meg a polimer vezető molekulapályáin (ha vannak ilyen molekulapályák). Alapvetően két eljárást alkalmaznak vezető polimerek dópolására, ezek redoxifolyamatokon alapulnak: Kémiai dópolás során egy polimer (például melanin) vékonyréteget oxidálószernek tesznek ki (pl. jód, bróm). Más (kevésbé gyakori) eljárás szerint az anyagot redukálószerrel hozzák reakcióba, ehhez gyakran alkálifémeket alkalmaznak. Elektrokémiai dópolás során egy polimerrel bevont elektródát olyan elektrolitba merítenek, melyben a polimer nem oldódik. Elektromos potenciálkülönbséget hoznak létre az elektródák között, minek hatására az elektrolit megfelelő ionjai és a polimer között redoxireakció jön létre. Ennek során elektron elvonás vagy elektron leadás történik a polimeren, mely rendre n- illetve p típusú dópolást alakít ki. A vezető polimerek n-dópolása kevésbé gyakori, ugyanis a földi légkör oxidáló közeg, így az elektronban gazdag n-dópolt félvezető polimerek a légkör oxigénjével reakcióba lépve hamar elveszítenék töltéshordozóikat. Emiatt a kémiai n-dópolást inert gáz jelenlétében (pl. argonban) szokták végezni. Mivel laboratóriumi körülmények között az oldatok oxigénmentes kezelése egyszerű, így a fizikai kutatásokban gyakori az n-dópolású polimerek alkalmazása, még ha gyakorlati alkalmazásuk akadályokba is ütközik.
Dópolás neutronindukált transzmutációval