¿Cuál es la diferencia entre el dopaje arsénico y el dopaje de fósforo en silicio de cristal único?

Ambos son semiconductores de tipo N, pero ¿cuál es la diferencia entre el dopaje de arsénico y fósforo en silicio de cristal único? En el silicio de cristal único, el arsénico (AS) y el fósforo (P) son dopantes de tipo N de uso común (elementos pentavalentes que proporcionan electrones libres). Sin embargo, debido a las diferencias en la estructura atómica, las propiedades físicas y las características de procesamiento, sus efectos de dopaje y escenarios de aplicación difieren significativamente.

I. Estructura atómica y efectos de red

Radio atómico y distorsión de la red

Fósforo (P): con un radio atómico de aproximadamente 1.06 Å, ligeramente más pequeño que el silicio (1.11 Å), el dopaje con AS da como resultado menos distorsión de la red de silicio, menor estrés y mejor estabilidad del material.

Arsénico (AS): con un radio atómico de aproximadamente 1.19 Å, más grande que el silicio, doping con AS da como resultado una mayor distorsión de la red, introduciendo potencialmente más defectos y afectando la movilidad portadora.

En su posición dentro del silicio, ambos dopantes actúan principalmente como dopantes sustitucionales (reemplazando los átomos de silicio). Sin embargo, debido a su radio mayor, el arsénico tiene una coincidencia de red más pobre con silicio, lo que puede conducir a un aumento en los defectos localizados.

II. Diferencias en las propiedades eléctricas

Nivel de energía del donante y energía de ionización

Fósforo (P): el nivel de energía del donante es de aproximadamente 0.044 eV desde el fondo de la banda de conducción, lo que resulta en una baja energía de ionización. A temperatura ambiente, está casi completamente ionizada, y la concentración portadora (electrón) está cerca de la concentración de dopaje.

Arsénico (AS): el nivel de energía del donante es de aproximadamente 0.049 eV desde el fondo de la banda de conducción, lo que resulta en una energía de ionización ligeramente mayor. A bajas temperaturas, se ioniza incompletamente, lo que resulta en una concentración de portador ligeramente más baja que la concentración de dopaje. A altas temperaturas (por ejemplo, por encima de 300 K), la eficiencia de ionización se acerca a la del fósforo.

Movilidad portadora

El silicio dopado con fósforo tiene menos distorsión de la red y mayor movilidad electrónica (aproximadamente 1350 cm²/(V ・ s)).

El dopaje del arsénico da como resultado una movilidad de electrones ligeramente más baja (aproximadamente 1300 cm²/(V ・ S)) debido a la distorsión de la red y más defectos, pero la diferencia disminuye a altas concentraciones de dopaje.

Iii. Características de difusión y procesamiento

Coeficiente de difusión

Fósforo (P): su coeficiente de difusión en el silicio es relativamente grande (por ejemplo, aproximadamente 1e-13 cm²/s a 1100 ° C). Su velocidad de difusión es rápida a altas temperaturas, por lo que es adecuada para formar uniones profundas (como el emisor de un transistor bipolar).

Arsénico (AS): su coeficiente de difusión es relativamente pequeño (aproximadamente 1e-14 cm²/s a 1100 ° C). Su velocidad de difusión es lenta, lo que la hace adecuada para formar uniones poco profundas (como la región de fuente/drenaje de un MOSFET y dispositivos de unión ultra-shallow).

Solubilidad sólida

Fósforo (P): su solubilidad sólida máxima en el silicio es de aproximadamente 1 × 10²¹ átomos/cm³.

Arsénico (AS): su solubilidad sólida es aún más alta, aproximadamente 2.2 × 10²¹ átomos/cm³. Esto permite concentraciones de dopaje más altas y es adecuada para capas de contacto óhmicas que requieren alta conductividad.

Características de implantación de iones

La masa atómica de arsénico (74.92 U) es mucho mayor que la del fósforo (30.97 U). La implantación de iones permite un rango más corto y una profundidad de implantación menos profunda, lo que lo hace adecuado para el control preciso de las profundidades de unión poco profundas. El fósforo, por otro lado, requiere profundidades de implantación más profundas y, debido a su mayor coeficiente de difusión, es más difícil de controlar.

Las diferencias clave entre el arsénico y el fósforo como dopantes de tipo N en silicio de cristal único se pueden resumir de la siguiente manera: el fósforo es adecuado para uniones profundas, dopaje de concentración media a alta, procesamiento simple y alta movilidad; Mientras que el arsénico es adecuado para uniones poco profundas, dopaje de alta concentración, control preciso de profundidad de la unión, pero con efectos de red significativos. En aplicaciones prácticas, el dopante apropiado debe seleccionarse en función de la estructura del dispositivo (por ejemplo, profundidad de la unión y requisitos de concentración), condiciones del proceso (por ejemplo, parámetros de difusión/implantación) y objetivos de rendimiento (por ejemplo, movilidad y conductividad).

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