Quelle est la différence entre le dopage de l'arsenic et le dopage au phosphore dans le silicium monocristal

Les deux sont des semi-conducteurs de type N, mais quelle est la différence entre le dopage de l'arsenic et du phosphore dans le silicium monocristallin? Dans le silicium monocristallin, l'arsenic (AS) et le phosphore (P) sont tous deux des dopants de type N couramment utilisés (éléments pentavalents qui fournissent des électrons libres). Cependant, en raison des différences de structure atomique, de propriétés physiques et de caractéristiques de traitement, leurs effets de dopage et leurs scénarios d'application diffèrent considérablement.

I. Structure atomique et effets du réseau

Rayon atomique et distorsion du réseau

Phosphore (P): avec un rayon atomique d'environ 1,06 Å, légèrement plus petit que le silicium (1,11 Å), dopant avec As entraîne une distorsion moindre du réseau de silicium, une contrainte plus faible et une meilleure stabilité des matériaux.

Arsenic (AS): avec un rayon atomique d'environ 1,19 Å, plus grand que le silicium, dopant avec AS entraîne une plus grande distorsion du réseau, introduisant potentiellement plus de défauts et affectant la mobilité des porteurs.

Dans leur position au sein du silicium, les deux dopants agissent principalement comme des dopants substitutionnels (remplaçant les atomes de silicium). Cependant, en raison de son rayon plus grand, l'arsenic a une correspondance de réseau plus faible avec le silicium, ce qui entraîne une augmentation des défauts localisés.

Ii Différences dans les propriétés électriques

Niveau d'énergie des donneurs et énergie d'ionisation

Phosphore (P): le niveau d'énergie du donneur est d'environ 0,044 eV du fond de la bande de conduction, ce qui entraîne une faible énergie d'ionisation. À température ambiante, il est presque complètement ionisé et la concentration de porteuse (électronique) est proche de la concentration de dopage.

Arsenic (AS): le niveau d'énergie du donneur est d'environ 0,049 eV du fond de la bande de conduction, ce qui entraîne une énergie d'ionisation légèrement plus élevée. À basse température, il est incomplètement ionisé, entraînant une concentration de porteuse légèrement inférieure à la concentration de dopage. À des températures élevées (par exemple, au-dessus de 300 K), l'efficacité d'ionisation s'approche de celle du phosphore.

Mobilité des transporteurs

Le silicium dopé au phosphore a moins de distorsion du réseau et une mobilité électronique plus élevée (environ 1350 cm² / (v ・ s)).

Le dopage de l'arsenic entraîne une mobilité électronique légèrement inférieure (environ 1300 cm² / (v ・ s)) en raison de la distorsion du réseau et de plus de défauts, mais la différence diminue à des concentrations de dopage élevées.

Iii. Caractéristiques de diffusion et de traitement

Coefficient de diffusion

Phosphore (P): son coefficient de diffusion dans le silicium est relativement important (par exemple, environ 1E-13 cm² / s à 1100 ° C). Son taux de diffusion est rapide à des températures élevées, ce qui le rend adapté à la formation de jonctions profondes (comme l'émetteur d'un transistor bipolaire).

Arsenic (AS): Son coefficient de diffusion est relativement petit (environ 1E-14 cm² / s à 1100 ° C). Son taux de diffusion est lent, ce qui le rend adapté à la formation de jonctions peu profondes (comme la région source / drainage d'un MOSFET et des dispositifs de jonction ultra-trap).

Solubilité solide

Phosphore (P): sa solubilité solide maximale dans le silicium est d'environ 1 × 10²½ atomes / cm³.

Arsenic (AS): sa solubilité solide est encore plus élevée, environ 2,2 × 10²¹ atomes / cm³. Cela permet des concentrations de dopage plus élevées et convient aux couches de contact ohmiques nécessitant une conductivité élevée.

Caractéristiques d'implantation ion

La masse atomique de l'arsenic (74,92 u) est beaucoup plus grande que celle du phosphore (30,97 U). L'implantation ionique permet une plage plus courte et une profondeur d'implantation moins profonde, ce qui le rend adapté à un contrôle précis des profondeurs de jonction peu profondes. Le phosphore, en revanche, nécessite des profondeurs d'implantation plus profondes et, en raison de son plus grand coefficient de diffusion, est plus difficile à contrôler.

Les principales différences entre l'arsenic et le phosphore en tant que dopants de type N dans le silicium monocristallé peuvent être résumées comme suit: le phosphore convient aux jonctions profondes, au dopage de concentration moyen à élevé, à un traitement simple et à une mobilité élevée; Alors que l'arsenic convient aux jonctions peu profondes, un dopage à forte concentration et un contrôle précis de la profondeur de la jonction, mais avec des effets de réseau significatifs. Dans les applications pratiques, le dopant approprié doit être sélectionné en fonction de la structure de l'appareil (par exemple, la profondeur de la jonction et les exigences de concentration), les conditions de processus (par exemple, les paramètres de diffusion / implantation) et des cibles de performance (par exemple, mobilité et conductivité).

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