2025-08-04
Beide sind Halbleiter vom Typ N-Typ, aber was ist der Unterschied zwischen Arsen und Phosphor-Doping im Einzelkristall-Silizium? In Einzelkristall-Silizium werden Arsen (AS) und Phosphor (P) beide häufig verwendete Dotierstoffe vom Typ N-Typ (Pentavalentelemente, die freie Elektronen liefern) verwendet. Aufgrund der Unterschiede in der Atomstruktur, physikalischen Eigenschaften und Verarbeitungseigenschaften unterscheiden sich ihre Doping -Effekte und Anwendungsszenarien jedoch erheblich.
I. Atomstruktur und Gittereffekte
Atomradius und Gitterverzerrung
Phosphor (P): mit einem Atomradius von ungefähr 1,06 Å, etwas kleiner als Silizium (1,11 Å), dotiert mit einer geringeren Verzerrung des Siliziumgitters, einer geringeren Spannung und einer besseren Materialstabilität.
Arsen (AS): mit einem Atomradius von ungefähr 1,19 Å, größer als Silizium, dotiert mit AS -Ergebnis zu einer größeren Gitterverzerrung, wodurch möglicherweise mehr Defekte eingebracht werden und die Mobilität der Träger beeinflussen.
In ihrer Position innerhalb von Silizium fungieren beide Dotierstoffe hauptsächlich als Substitutionsdotiermittel (Austausch von Siliziumatomen). Aufgrund seines größeren Radius hat Arsen jedoch ein schlechteres Gitter -Match mit Silizium, was möglicherweise zu einer Zunahme lokalisierter Defekte führt.
Ii. Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften
Spenderenergie und Ionisationsenergie
Phosphor (P): Der Spenderergiespiegel beträgt ungefähr 0,044 eV aus dem Leitungsbandboden, was zu einer niedrigen Ionisationsenergie führt. Bei Raumtemperatur ist es fast vollständig ionisiert, und die Carrier -Konzentration (Elektronen) liegt nahe an der Dopingkonzentration.
Arsen (AS): Der Spenderergiespiegel beträgt ungefähr 0,049 EV aus dem Leitungsbandboden, was zu einer etwas höheren Ionisationsenergie führt. Bei niedrigen Temperaturen ist es unvollständig ionisiert, was zu einer Trägerkonzentration, die geringfügig niedriger ist als die Dotierungskonzentration. Bei hohen Temperaturen (z. B. über 300 K) nähert sich die Ionisationseffizienz dem von Phosphor.
Trägermobilität
Phosphor-dotiertes Silizium hat eine weniger Gitterverzerrung und eine höhere Elektronenmobilität (ungefähr 1350 cm²/(V ・ S)).
Die Arsen -Dotierung führt aufgrund der Gitterverzerrung und mehr Defekte zu einer etwas niedrigeren Elektronenmobilität (ungefähr 1300 cm²/(V ・ S)), aber die Differenz nimmt bei hohen Dopingkonzentrationen ab.
III. Diffusions- und Verarbeitungseigenschaften
Diffusionskoeffizient
Phosphor (P): sein Diffusionskoeffizient in Silizium ist relativ groß (z. B. ungefähr 1E-13 cm²/s bei 1100 ° C). Die Diffusionsrate ist bei hohen Temperaturen schnell und ist für die Bildung von tiefen Verbindungen (wie den Emitter eines bipolaren Transistors) geeignet.
Arsen (AS): Der Diffusionskoeffizient ist relativ gering (ungefähr 1E-14 cm²/s bei 1100 ° C). Die Diffusionsrate ist langsam und ist für die Bildung flacher Verbindungen geeignet (z.
Solide Löslichkeit
Phosphor (P): Die maximale feste Löslichkeit in Silizium beträgt ungefähr 1 × 10²² Atome/cm³.
Arsen (AS): Die feste Löslichkeit ist sogar noch höher, ungefähr 2,2 × 10²¹ Atome/cm³. Dies ermöglicht höhere Dopingkonzentrationen und eignet sich für ohmische Kontaktschichten, die eine hohe Leitfähigkeit erfordern.
Ionenimplantationsmerkmale
Die Atommasse von Arsen (74,92 U) ist viel größer als die von Phosphor (30,97 U). Die Ionenimplantation ermöglicht eine kürzere Reichweite und eine flachere Implantationstiefe, wodurch es für eine präzise Kontrolle der flachen Übergangstiefen geeignet ist. Phosphor dagegen erfordert tiefere Implantationstiefen und ist aufgrund seines größeren Diffusionskoeffizienten schwieriger zu kontrollieren.
Die wichtigsten Unterschiede zwischen Arsen und Phosphor als N-Typ-Dotierstoffe in Einzelkristallsilicium können wie folgt zusammengefasst werden: Phosphor eignet sich für tiefe Verbindungen, Doping mit mittlerer bis hoher Konzentration, einfache Verarbeitung und hohe Mobilität. Während Arsen für flache Übergänge geeignet ist, dotierte hohe Konzentrationsdotierung, präzise Übergangstiefenkontrolle, jedoch mit signifikanten Gittereffekten. In praktischen Anwendungen muss der geeignete Dotiermittel basierend auf der Gerätestruktur (z. B. Anforderungen an die Verbindungstiefe und Konzentration), Prozessbedingungen (z. B. Diffusions-/Implantationsparameter) und Leistungsziele (z. B. Mobilität und Leitfähigkeit) ausgewählt werden.
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