Qual è la differenza tra il doping di arsenico e il doping del fosforo nel silicio a cristallo singolo

Entrambi sono semiconduttori di tipo N, ma qual è la differenza tra doping di arsenico e fosforo nel silicio a cristallo singolo? Nel silicio a cristallo singolo, l'arsenico (AS) e il fosforo (P) sono entrambi droganti di tipo N comunemente usati (elementi pentavalenti che forniscono elettroni liberi). Tuttavia, a causa delle differenze nella struttura atomica, nelle proprietà fisiche e nelle caratteristiche di elaborazione, i loro effetti di doping e scenari di applicazione differiscono in modo significativo.

I. Struttura atomica ed effetti reticolari

Raggio atomico e distorsione reticolare

Fosforo (P): con un raggio atomico di circa 1,06 Å, leggermente più piccolo del silicio (1,11 Å), doping con come risulta in una minore distorsione del reticolo di silicio, uno stress più basso e una migliore stabilità del materiale.

Arsenico (AS): con un raggio atomico di circa 1,19 Å, più grande del silicio, il doping con come si traduce in una maggiore distorsione reticolare, introducendo potenzialmente più difetti e influenzando la mobilità del vettore.

Nella loro posizione all'interno del silicio, entrambi i droganti agiscono principalmente come droganti sostitutivi (in sostituzione di atomi di silicio). Tuttavia, a causa del suo raggio maggiore, l'arsenico ha una partita reticolare più scarsa con il silicio, portando potenzialmente ad un aumento dei difetti localizzati.

Ii. Differenze nelle proprietà elettriche

Livello di energia del donatore e energia di ionizzazione

Fosforo (P): il livello di energia del donatore è di circa 0,044 eV dal fondo della banda di conduzione, con conseguente energia a bassa ionizzazione. A temperatura ambiente, è quasi completamente ionizzato e la concentrazione di portatore (elettrone) è vicina alla concentrazione di doping.

Arsenico (AS): il livello di energia del donatore è di circa 0,049 eV dal fondo della banda di conduzione, con conseguente energia di ionizzazione leggermente più elevata. A basse temperature, è incompleto ionizzato, risultando in una concentrazione di portatore leggermente inferiore alla concentrazione di doping. A temperature elevate (ad esempio, sopra 300 K), l'efficienza di ionizzazione si avvicina a quella del fosforo.

Mobilità del vettore

Il silicio drogato con fosforo ha meno distorsione reticolare e una maggiore mobilità degli elettroni (circa 1350 cm²/(V ・ s)).

Il doping di arsenico provoca una mobilità elettronica leggermente inferiore (circa 1300 cm²/(V ・ s)) a causa della distorsione reticolare e più difetti, ma la differenza diminuisce ad alte concentrazioni di doping.

Iii. Caratteristiche di diffusione ed elaborazione

Coefficiente di diffusione

Fosforo (P): il suo coefficiente di diffusione in silicio è relativamente grande (ad esempio, circa 1E-13 cm²/s a 1100 ° C). La sua velocità di diffusione è veloce ad alte temperature, rendendolo adatto per formare giunzioni profonde (come l'emettitore di un transistor bipolare).

Arsenico (AS): il suo coefficiente di diffusione è relativamente piccolo (circa 1E-14 cm²/s a 1100 ° C). La sua frequenza di diffusione è lenta, rendendolo adatto per formare giunzioni poco profonde (come la regione di origine/drenaggio di un MOSFET e dispositivi di giunzione ultra-shallow).

Solubilità solida

Fosforo (P): la sua massima solubilità solida nel silicio è di circa 1 × 10²¹ atomi/cm³.

Arsenico (AS): la sua solida solubilità è ancora più alta, circa 2,2 × 10²¹ atomi/cm³. Ciò consente concentrazioni di doping più elevate ed è adatto per strati di contatto Ohmic che richiedono un'elevata conducibilità.

Caratteristiche di impianto ionico

La massa atomica dell'arsenico (74,92 U) è molto maggiore di quella del fosforo (30,97 U). L'impianto ionico consente una gamma più corta e una profondità di impianto più superficiale, rendendolo adatto per un controllo preciso delle profondità di giunzione poco profonde. Il fosforo, d'altra parte, richiede profondità di impianto più profonde e, a causa del suo più grande coefficiente di diffusione, è più difficile da controllare.

Le differenze chiave tra arsenico e fosforo come droganti di tipo N nel silicio a cristallo singolo possono essere riassunte come segue: il fosforo è adatto per giunzioni profonde, doping di concentrazione medio-alto, semplice elaborazione e alta mobilità; Mentre l'arsenico è adatto per giunzioni poco profonde, doping ad alta concentrazione, controllo preciso della giunzione, ma con effetti reticolari significativi. Nelle applicazioni pratiche, il drogante appropriato deve essere selezionato in base alla struttura del dispositivo (ad es. Profondità di giunzione e requisiti di concentrazione), condizioni di processo (ad es. Parametri di diffusione/impianto) e obiettivi di prestazione (ad esempio, mobilità e conducibilità).

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