Qual é a diferença entre doping de arsênico e doping de fósforo em silício de cristal único

Ambos são semicondutores do tipo n, mas qual é a diferença entre o arsênico e o doping de fósforo no silício de cristal único? No silício de cristal único, arsênico (AS) e fósforo (P) são dopantes do tipo n comumente usados (elementos pentavalentes que fornecem elétrons livres). No entanto, devido a diferenças na estrutura atômica, propriedades físicas e características de processamento, seus efeitos de doping e cenários de aplicação diferem significativamente.

I. Estrutura atômica e efeitos de treliça

Raio atômico e distorção de treliça

Fósforo (P): Com um raio atômico de aproximadamente 1,06 Å, ligeiramente menor que o silício (1,11 Å), dopando com AS resulta em menor distorção da rede de silício, menor estresse e melhor estabilidade do material.

Arsênico (AS): com um raio atômico de aproximadamente 1,19 Å, maior que o silício, dopando com as resulta em maior distorção da rede, potencialmente introduzindo mais defeitos e afetando a mobilidade do portador.

Em sua posição no silício, ambos os dopantes atuam principalmente como dopantes substitucionais (substituindo átomos de silício). No entanto, devido ao seu raio maior, o arsênico tem uma correspondência de treliça mais pobre com o silício, potencialmente levando a um aumento de defeitos localizados.

Ii. Diferenças nas propriedades elétricas

Nível de energia doador e energia de ionização

Fósforo (P): O nível de energia do doador é de aproximadamente 0,044 eV do fundo da banda de condução, resultando em uma baixa energia de ionização. À temperatura ambiente, é quase completamente ionizada e a concentração do transportador (elétron) é próxima da concentração de doping.

Arsênico (AS): O nível de energia do doador é de aproximadamente 0,049 eV do fundo da banda de condução, resultando em uma energia de ionização um pouco mais alta. Em baixas temperaturas, é incompletamente ionizado, resultando em uma concentração de portadora ligeiramente menor que a concentração de doping. Em altas temperaturas (por exemplo, acima de 300 K), a eficiência da ionização se aproxima do de fósforo.

Mobilidade da transportadora

O silício dopado com fósforo tem menos distorção da rede e maior mobilidade eletrônica (aproximadamente 1350 cm²/(v ・ s)).

O doping de arsênico resulta em uma mobilidade de elétrons ligeiramente menor (aproximadamente 1300 cm²/(v ・ s)) devido à distorção da rede e mais defeitos, mas a diferença diminui em altas concentrações de doping.

Iii. Características de difusão e processamento

Coeficiente de difusão

Fósforo (P): Seu coeficiente de difusão no silício é relativamente grande (por exemplo, aproximadamente 1e-13 cm²/s a 1100 ° C). Sua taxa de difusão é rápida em altas temperaturas, tornando -a adequada para formar junções profundas (como o emissor de um transistor bipolar).

Arsênico (AS): seu coeficiente de difusão é relativamente pequeno (aproximadamente 1e-14 cm²/s a 1100 ° C). Sua taxa de difusão é lenta, tornando-a adequada para formar junções superficiais (como a região de origem/drenagem de um MOSFET e dispositivos de junção ultra-raso).

Solubilidade sólida

Fósforo (P): Sua solubilidade sólida máxima no silício é de aproximadamente 1 × 10² na átomos/cm³.

Arsênico (AS): sua solubilidade sólida é ainda maior, aproximadamente 2,2 × 10²pr átomos/cm³. Isso permite maiores concentrações de doping e é adequado para camadas de contato ôhmico que requerem alta condutividade.

Características de implantação de íons

A massa atômica do arsênico (74,92 U) é muito maior que a do fósforo (30,97 U). A implantação de íons permite uma faixa mais curta e profundidade de implantação mais rasa, tornando -a adequada para o controle preciso das profundidades de junção rasa. O fósforo, por outro lado, requer profundidades de implantação mais profundas e, devido ao seu maior coeficiente de difusão, é mais difícil de controlar.

As principais diferenças entre o arsênico e o fósforo como dopantes do tipo n no silício de cristal único podem ser resumidos da seguinte forma: o fósforo é adequado para junções profundas, doping de concentração média a alta, processamento simples e alta mobilidade; Enquanto o arsênico é adequado para junções superficiais, doping de alta concentração, controle preciso da profundidade da junção, mas com efeitos significativos da rede. Em aplicações práticas, o dopante apropriado deve ser selecionado com base na estrutura do dispositivo (por exemplo, requisitos de profundidade e concentração da junção), condições de processo (por exemplo, parâmetros de difusão/implantação) e metas de desempenho (por exemplo, mobilidade e condutividade).

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