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Die
Erfindung betrifft eine Halbleiter-Solarzelle mit einem pn-Übergang.
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Ein
bedeutendes Problem beim Betrieb von Solarzellen ist der sogenannte
HotSpot-Effekt. Dieser tritt insbesondere dann auf, wenn bei einer
Zusammenschaltung von Solarzellen zu einem Modul, einzelne Solarzellen
oder Solarzellenabschnitte beispielsweise aufgrund von Verschattung
nicht beleuchtet werden, während
die übrigen
Solarzellen(abschnitte) von Sonnenlicht angestrahlt werden und mittels
Energieumwandlung Solarstrom erzeugen. Während die pn-Übergänge der
beleuchteten Solarzellen(abschnitte) in Vorwärtsrichtung betrieben werden,
sind die pn-Übergänge der
unbeleuchteten Solarzellen(abschnitte) aufgrund der Verschattung der
Solarzellen in dem Modul häufig
in Rückwärtsrichtung
geschaltet. Hierdurch entsteht die Gefahr eines Spannungsdurchbruchs,
was zu einer Zerstörung
der betroffenen Solarzellen(abschnitte) führen kann.
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Die
Gefahr wird verstärkt
durch inhomogenen Aufbau oder Verunreinigungen in der Halbleiterstruktur
der Solarzelle. An derartigen Störstellen
in der Solarzelle ist die Durchbruchspannung zumeist lokal herabgesetzt,
so dass dort bevorzugt ein Spannungsdurchbruch auftritt. Derartige
lokale Durchbrüche
werden als Shunts bezeichnet. Durch das Auftreten von Shunts können die
betroffenen Stellen schlimmstenfalls bis zur Zerstörung aufgeheizt
werden.
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Um
eine Shunt-Bildung bei der Produktion bzw. dem Betrieb von Solarzellen
zu vermeiden, wird üblicherweise
versucht, das Halbleitermaterial der Solarzelle derart homogen und
frei von Verunreinigungen herzustellen, dass sich in dem Halbleiter
keine lokalen Durchbruchsstellen bilden. Eine weitere Möglichkeit,
schädliche
Auswirkungen lokal herabgesetzter Durchbruchspannungen zu vermeiden,
besteht darin, in den Solarzellen Bypassdioden zu integrieren, welche
beim betrieb der Solarzelle in Rückwärtsrichtung
definierte Spannungsdurchbrüche
bei möglichst
niedrigen Strömen
gewährleisten.
Diese bekannten Umgehungsverfahren haben teilweise den Nachteil,
dass sie hohe Ansprüche
an Homogenität
und Reinheit bei der Herstellung der Solarzelle stellen. Ferner
sind diese Verfahren kostspielig und zeitaufwändig in der Umsetzung. Zudem
liefern sie nur bedingt verlässliche
Ergebnisse.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Solarzelle bereitzustellen, bei
der Shunt-Effekte
auf effektive und verlässliche
Weise vermindert oder ganz vermieden werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der
Kern der Erfindung besteht darin, bei einer Solarzelle, welche aus
einem np-Übergang
gebildet ist, zwischen der n-dotierten und der p-dotierten Halbleiterschicht
eine Zwischenhalbleiterschicht vorzusehen und mittels dieser Zwischenhalbleiterschicht
die Durchbruchspannung der Halbleiterstruktur zu erhöhen. Ein
Halbleiteraufbau, bei dem eine p-dotierte und eine n-dotierte Halbleiterschicht
unmittelbar aufeinander zu liegen kommen und somit einen pn-Übergang
bilden, wird in diesem Zusammenhang als Halbleitergrundstruktur
bezeichnet. Demgegenüber
weist die hierin als Halbleiterstruktur bezeichnete Zusammensetzung
zwischen der p-dotierten und der n-dotierten Halbleiterschicht eine
Zwischenhalbleiterschicht auf.
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Die
Zwischenhalbleiterschicht umfasst einen n-dotierten und/oder einen
p-dotierten Halbleiter
und weist eine niedrigere Dotierung auf, als die n-dotierte oder
die p-dotierte Halbleiterschicht. Hierbei ist mit dem Begriff Dotierung
die Dotierungsdichte gemeint, welche beispielsweise als Anzahl an
Fremdatomen pro Volumen ausgedrückt
werden kann. Es ist jedoch anzumerken, dass das Dotierungsprofil
beim Übergang
von der n-dotierten Halbleiterschicht zur Zwischenhalbleiterschicht
und von der Zwischenhalbleiterschicht zur p-dotierten Halbleiterschicht fließend sein
kann und somit keine derart abrupten Dotierungsübergänge aufweisen muss, um Übergangsebenen
zwischen unterschiedlichen Dotierungsdichten eindeutig zu definieren.
Mit anderen Worten, es muss sich nicht unbedingt um eine mikroskopisch „sichtbare” Schicht
handeln. Es kann sich bei der Zwischenhalbleiterschicht beispielsweise
um einen niedrig dotierten Bereich im gleichen Grundmaterial handeln,
wie die umgebenden Halbleiterbereiche.
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Ferner
soll mit dem Begriff Schicht nicht unbedingt auf eine ebene Struktur
hingedeutet werden, bei der sich die Dotierung nur entlang einer
Dimension ändert.
Vielmehr können
auch dreidimensional strukturierte Aufbauten eingesetzt werden.
Beispielsweise können
Inseln der Halbleiterstruktur auf einem Substrat oder Träger angeordnet
sein. Wesentlich ist hierbei, dass im Bereich einer oder um eine
Raumladungszone einseitig oder beidseitig ein deutlich ausgeprägter, niedrig
dotierter Bereich gebildet ist.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung
ersetzt die Zwischenhalbleiterschicht eine Übergangsfläche zwischen den Halbleiterschichten
im Wesentlichen vollständig.
Mit anderen Worten, in der Halbleiterstruktur befindet sich kein
unmittelbarer Übergang zwischen
der n-dotierten Halbleiterschicht und der p-dotierten Halbleiterschicht. Auf diese
Weise wird vermieden, dass sich ein Spannungsdurchbruch an der Zwischenhalbleiterschicht
vorbei im Bereich einer solchen Übergangsfläche ereignet,
wo eine niedrigere Durchbruchspannung vorliegt.
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Bevorzugterweise
umfasst die Zwischenhalbleiterschicht eine an der n-dotierten Halbleiterschicht
angrenzende, n-dotierte n-Zwischenschicht mit einer gegenüber der
n-dotierten Halbleiterschicht niedrigeren Dotierung und eine an
der p-dotierten Halbleiterschicht angrenzende, p-dotierte p-Zwischenschicht
mit einer gegenüber
der p-dotierten Halbleiterschicht niedrigeren Dotierung. Mit anderen Worten,
der Übergang
zwischen der n-dotierten Halbleiterschicht und der p-dotierten Halbleiterschicht
weist beidseitig niedrig dotierte Zwischenschichten auf. In diesem
Fall können
durch die Wahl der Schichtdicken und der Dotierungsdichten sowie der
Dotierungsverläufe
zwischen den jeweiligen Schichten die Durchbruchspannung der Halbleiterstruktur
sowie, wenn gewünscht,
weitere elektronische Eigenschaften frei beeinflusst werden.
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In
vorteilhaften Ausführungsformen
umfasst die Zwischenhalbleiterschicht weitere Zwischenschichten
zwischen der n-Zwischenschicht und der p-Zwischenschicht. Die eine
oder mehreren weiteren Zwischenschichten dienen der Optimierung
der mechanischen, elektrische und/oder optischen Eigenschaften der
Zwischenhalbleiterschicht. Beispielsweise kann eine weitere Zwischenschicht
als Haftvermittler zwischen der n-Zwischenschicht und der p-Zwischenschicht
dienen.
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Zweckmäßigerweise
ist vorgesehen, dass zumindest ein Abschnitt der Zwischenhalbleiterschicht
im Wesentlichen plateauförmig
dotiert ist. Unter einem Abschnitt ist hierbei ein Bereich gemeint, welcher
in der Ebene quer zum Übergang
zwischen der p-dotierten und der n-dotierten Halbleiterschicht im
Wesentlichen die gleichen Abmessungen wie die Zwischenhalbleiterschicht
hat. Es ist also vorausgesetzt, dass die Zwischenhalbleiterschicht
entlang dieser Ebene im Wesentlichen homogen ist und senkrecht hierzu
einen eindimensional variierenden Dotierungsdichteverlauf aufweist.
Dieser Dotierungsdichteverlauf weist entsprechend der hier beschriebenen
Ausführungsform
zumindest einen Plateau-Abschnitt auf, in dem die Dotierungsdichte
im Wesentlichen konstant ist. Bei dem Abschnitt handelt es sich
somit um einen Bereich der Zwischenhalbleiterschicht, der sich zwischen
zwei bestimmten Schichttiefen befindet.
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Die
Zwischenhalbleiterschicht ist bevorzugt im Wesentlichen stufenförmig dotiert.
Mit anderen Worten, entlang einer Schichttiefe sind Übergänge zwischen
unterschiedlichen Dotierdichtebereichen im Wesentlichen abrupt.
Beispielsweise können mehrere
vorangehend beschriebene, plateauförmige Abschnitte mittels abrupter Übergänge miteinander verbunden
sein.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die Zwischenhalbleiterschicht derart dotiert, dass eine sich
im unbeleuchteten Leerlauf zwischen den Halbleiterschichten bildende
Raumladungszone im Wesentlichen vollständig in der Zwischenhalbleiterschicht
angeordnet ist. Unter Leerlauf ist hierbei zu verstehen, dass der
Halbleiterstruktur weder Strom noch eine andere Form von Energie
zugeführt
wird. Sie wird somit auch nicht beleuchtet. Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass die Durchbruchspannung im Wesentlichen durch
die Eigenschaften der Zwischenhalbleiterschicht gesteuert werden
kann.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Zwischenhalbleiterschicht
derart dotiert ist, dass die sich im unbeleuchteten Leerlauf zwischen
den Halbleiterschichten bildende Raumladungszone die Zwischenhalbleiterschicht
im Wesentlichen ausfüllt.
Mit anderen Worten, die Raumladungszone in der unkontaktierten und
nicht beleuchteten Halbleiterstruktur erstreckt sich über die
gesamte oder einen Wesentlichen Teil der Dicke der Zwischenhalbleiterschicht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
vorgesehen, dass die Zwischenhalbleiterschicht, die n-Zwischenschicht
und/oder die p-Zwischenschicht eine Dotierdichte in einem Bereich
zwischen 1 und 20 × 1014 cm–3 aufweist. Für Solarzellen,
die aus höher
dotiertem Grundmaterial (z. B. aus UMG-Silizium, UMG – upgraded
metallurgical grade) hergestellt werden als Standard-Industriezellen, kann
auch eine höhere
Dotierdichte der Zwischenschichten (z. B. bis zu 2 × 1016 cm–3) von Vorteil sein. Wesentlich
ist hier insbesondere, dass die Zwischenschichtdotierung deutlich
unter der Basisdotierung liegt und zu einer wesentlichen Verbreiterung
der Raumladungszone führt.
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Vorteilhafterweise
weist die Zwischenhalbleiterschicht eine Dicke auf, welche größer als
5 μm ist, vorzugsweise
größer als
3 μm. Auch
hier können
bei bestimmten Solarzellen, beispielsweise solchen basierend auf
metallurgischem Silizium oder UMG-Silizium, weitere Wertebereiche
bevorzugt sein, vorzugsweise über
200 nm.
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Gemäß einer
zweckmäßigen Weiterbildung ist
die Zwischenhalbleiterschicht aus dem gleichen Material gebildet,
wie eines der oder beide Halbleiterschichten. Ferner kann die Zwischenhalbleiterschicht mit
einer der oder mit beiden Halbleiterschichten einstückig gebildet
sein. In diesem Fall kann die Halbleiterstruktur beispielsweise
mittels Diffusion von Dotierstoffen hergestellt sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die n-dotierte Halbleiterschicht, die p-dotierte
Halbleiterschicht und/oder die Zwischenhalbleiterschicht im Wesentlichen
aus Silizium gebildet sind. Hierbei kann es sich um Silizium handeln, welches
zusätzlich
Dotierstoffe in üblichen
und für
die Dotierung notwendigen Konzentrationen enthält.
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Bei
einer effizienten Ausbildung ist die Halbleiterstruktur waferbasiert
hergestellt. Alternativ kann die Halbleiterstruktur auch als Dünnschicht
auf einem Substrat oder Superstrat beispielsweise aus Glas, aufgetragen
sein.
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Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass die Zwischenhalbleiterschicht zumindest bereichsweise mittels
Ionenimplantierung dotiert und/oder mittels Epitaxie gebildet ist.
Auf diese Weise lassen sich bei dünnen Schichten besonders homogene
Dotierungen mit abrupten Übergängen herstellen.
Auch einige der oder alle weiteren Schichten der Halbleiterstruktur
oder der Solarzelle lassen sich mit Hilfe dieser Verfahren herstellen.
Beispielsweise lässt
sich auf einem als Basis gebildeten Wafer eine Schichtfolge inklusive
einer Emitterschicht mittels Epitaxie aufwachsen. Alternativ oder
kumulativ hierzu können auch
Dotierverfahren zur Erzeugung eines gewünschten Dotierprofils eingesetzt
werden, wobei auch eine gezielte Gegendotierung beispielsweise mittels
Diffusion eingesetzt werden kann.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
ist vorgesehen, dass die Halbleiterstruktur aufgebaut ist aus amorphem,
multikristallinem oder monokristallinem Silizium, das in einem elektronischen,
solaren oder metallurgischen Reinheitsgrad vorliegt. Hierbei kann
prinzipiell jede Variante der Halbleitermikrostruktur mit jeder
Variante des Reinheitsgrades kombiniert werden, um eine im Hinblick
auf Kosten- und Wirkungsgraderwägungen
optimale Kombination zu erhalten.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 den
schematischen Aufbau einer Halbleiterstruktur mit einer zwischen
zwei Halbleiterschichten angeordneten Zwischenhalbleiterschicht;
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2 einen
Ausschnitt einer Solarzelle mit mehreren Halbleiterstrukturen in
einer Querschnittansicht; und
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3 eine
grafische Darstellung eines Dotierungsprofils.
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Die 1 zeigt
den Aufbau einer Halbleiterstruktur 1, welche eine n-dotierte
Halbleiterschicht 3, eine p-dotierte Halbleiterschicht 5 sowie
ein hierzwischen angeordnete Zwischenhalbleiterschicht 7 umfasst.
In der hier verwendeten Nomenklatur wird ein Aufbau, bei dem die
Zwischenhalbleiterschicht 7 fehlt, bei dem also die beiden
Halbleiterschichten 3, 5 unmittelbar aufeinander
stoßen
und ein hierzwischen liegende Übergangsfläche mit
einem pn-Übergang
bilden, als Halbleitergrundstruktur bezeichnet.
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Die
Zwischenhalbleiterschicht 7 ist vorliegend so ausgewählt, dass
die Durchbruchspannung, bei welcher die Halbleiterstruktur 1 bei
Rückwärtsverschaltung
einen Spannungsdurchbruch erleidet, gegenüber der Durchbruchspannung
einer Halbleitergrundstruktur aus der n-dotierten Halbleiterschicht und
der p-dotierten Halbleiterschicht 5 erhöht ist. Dies wird dadurch erreicht,
dass die Zwischenhalbleiterschicht 7 eine niedrigere Dotierung
aufweist. Hierdurch erfolgt eine bewusste Verbreiterung der Raumladungszone
der Halbleiterstruktur 1, wodurch eine Verbesserung des Durchbruchverhaltens
erfolgt. Die Erhöhung
der Durchbruchspannung auf diese Weise kann sowohl bei einem Lawinendurchbruch
als auch bei einem Durchbruch aufgrund von Ladungstransport über Störstellen
oder Defekten erfolgen.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform handelt es sich
um eine Halbleiterstruktur 1 mit einem ebenen oder flächigen Aufbau
derart, dass die Halbleiterschichten 3, 5 und
die Zwischenhalbleiterschicht 7 in Form von Platten gebildet
sind, welche jeweils eine gewisse Dicke senkrecht zu der Ebene der Halbleiterstruktur 1 aufweisen.
Idealerweise variiert die Dotierungsdichte im Wesentlichen nur entlang
einer Richtung senkrecht zur Ebene der Halbleiterstruktur 1.
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Im
Gegensatz hierzu weist die in der 2 schematisch
dargestellte Solarzelle mehrere dreidimensional aufgebaute Halbleiterstrukturen 1 auf. Darüber hinaus
umfasst die Zwischenhalbleiterschicht 7 in den Halbleiterstrukturen 1 eine
n-dotierte n-Zwischenschicht 7n sowie eine p-dotierte p-Zwischenschicht 7p,
welche aneinander grenzen und zwischen der n-dotierten Halbleiterschicht 3 und
der p-dotierten Halbleiterschicht 5 angeordnet sind. Die p-dotierte
Halbleiterschicht 5 ist als Substrat ausgebildet, worin
die weiteren Schichten 3, 5, 7n, 7p der Halbleiterstrukturen 1 inselförmig angeordnet
sind. Alternativ können
die Halbleiterschichten 3, 5 vertauscht sein,
wobei dann auch die Zwischenschichten 7n, 7p entsprechend
vertauscht sein müssen.
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Die 3 zeigt
eine grafische Darstellung eines Dotierungsprofils unterschiedlicher
Halbleiteranordnungen. Entlang der Abszisse ist eine Schichttiefe aufgetragen.
In der in 1 dargestellten Halbleiterstruktur 1 beginnt
die Schichttiefe beispielsweise an der oberen Oberfläche der
n-dotierten Halbleiterschicht 3 und
nimmt nach unten in die Halbleiterstruktur 1 zu. In einer
der in 2 gezeigten Halbleiterstrukturen 1 hingegen
kann die Schichttiefe von der Mitte einer der inselförmigen Halbleiterstrukturen 1 nach
außen
in Richtung der p-dotierten Halbleiterschicht 5 gemessen
werden.
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Entlang
der Ordinate des Koordinatensystems in der 3 sind nach
oben hin logarithmisch eine Donator-Dotierungsdichte und nach unten
hin logarithmisch eine Akzeptor-Dotierungsdichte aufgetragen. In
dem Koordinatensystem ist als durchgezogene Linie ein Dotierungsprofil 9 der
Halbleiterstruktur 1 eingezeichnet. Die unterhalb des Graphen
aufgeführten,
unterstrichenen Bezugszeichen 3, 7, 5 geben
an, dass die oberhalb der Bezugszeichen entlang der Abszisse aufgetragenen
Schichttiefen jeweils den zugehörigen
Schichten 3, 7, 5 der Halbleiterschicht 1 zugeordnet
sind.
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Aus
der 3 ist ersichtlich, dass die Zwischenhalbleiterschicht 7 von
der p-dotierten
Halbleiterschicht 5 her im Dotierungsprofil einen stufenförmigen Übergang
zu einem Plateau auf einem niedrig p-dotierten Niveau aufweist.
Hingegen ist der Übergang
zwischen der n-dotierten Halbleiterschicht 3 und der Zwischenhalbleiterschicht 7 in
der vorliegenden Ausführungsform
gradueller ausgebildet. Alternativ kann jedoch auch hier ein abrupter Übergang vorgesehen
sein, oder beide Übergänge können graduell
sein. Als Vergleich zu dem Dotierungsprofil 9 der Halbleiterstruktur 1 ist
in der 3 auch ein Dotierungsprofil 8 der Halbleitergrundstruktur
als gestrichelte Linie dargestellt, das einen herkömmlichen pn-Übergang
wiedergibt.
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Wenngleich
in der 3 die Verteilung der Dotierungsdichte von Donatoren
und Akzeptoren dargestellt ist, ist in erster Linie die Verteilung
der freien Elektronen und der freien Löcher in der Halbleiterstruktur 1 entscheidend.
Das bedeutet, dass auch andere Dotierungsverteilungen zu den gleichen
Ergebnissen führen
können.
Beispielsweise kann zunächst eine
Dotierung mit einem Donator-Material erfolgen, um anschließend in
derart n-dotierten Teilbereichen mit Hilfe einer Akzeptor-Gegendotierung
eine Kompensation bis hin zu einer Überkompensation vorzunehmen,
um so eine p-Dotierung zu erzielen, beispielsweise mittels Diffusion
oder mittels Ionenimplantation.
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- 1
- Halbleiterstruktur
- 3
- n-dotierte
Halbleiterschicht
- 5
- p-dotierte
Halbleiterschicht
- 7
- Zwischenhalbleiterschicht
- 7n
- n-Zwischenschicht
- 7p
- p-Zwischenschicht
- 8
- Dotierungsprofil
der Halbleitergrundstruktur
- 9
- Dotierungsprofil
der Halbleiterstruktur