掺杂原理介绍

半导体工艺与设备 2023-10-24 09:37

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杂质的掺杂是芯片制造中十分重要的一步，几乎所有的集成电路，LED，功率器件等都需要用到掺杂。那么为什么要掺杂？有哪些掺杂手段？掺杂的作用是什么？

为什么要掺杂？

本征硅的导电性能很差，需要在本征硅中引入少量杂质，增加可移动的电子或空穴的数量，以改善其电性质，使硅能够满足半导体制作的标准。

什么是本征硅？

本征硅指的是纯净的硅，没有被任何杂质掺杂的硅，其自由电子数和空穴数是相等的。本征硅是一种半导体材料，室温下的导电性很差。

什么是N形硅？

N型硅是通过向纯硅中掺杂五价元素（如P、As等）来制得的。磷、砷等五价元素的原子替代了硅原子的位置，由于硅是4价，会多出来一个电子。而多出来的电子就可以自由移动，带负电。N表示负。

N+ ：重掺杂的N型半导体。N-:轻掺杂的N型半导体.

什么是P形硅？

P型硅是通过向纯硅中掺杂三价元素（如B、Ga等）来制得的。硼、镓等三价元素的原子替代了硅原子的位置，但与硅原子相比，它缺少一个电子。缺少电子的位置就出现了一个空穴。空穴本身带有正电荷，且可以接受电子，所以称为P型硅。P表示正。

P+，表示高度掺杂的P型半导体，浓度很高。P-，表示低掺杂浓度的P型半导体。

常见的五价元素

五价元素即元素周期表中的ⅤA族元素，代表性的为P，As。这两个元素，最外层有5个电子，其中的4个能与硅原子形成共价键，剩下一个作为自由电子。

磷（P）是非金属元素，具有多种同素异形体，其中最常见的是白磷、红磷和黑磷。砷（As）是类金属元素，具有金属光泽，化学性质与磷相似，但砷的化合物通常更稳定，其中砒霜就是一种砷的氧化物，As2O3。

常见的三价元素

三价元素即元素周期表中的ⅢA族元素，代表性的为硼（B），镓（Ga）。这两个元素，最外层有3个电子。

硼 (B)是一种硬而脆的非金属元素，呈黑色或棕色。在自然界中，它大多以其氧化物或硼酸盐的形式存在，常见物质有硼酸、硼砂等。

镓 (Ga)一种柔软的金属，低熔点。它的熔点约为29.76°C，GaAs被广泛用作半导体材料。此外，镓也用于生产太阳能电池、LED等。

常见的掺杂方式

目前主要有两种方式，即扩散与离子注入。

扩散

首先，半导体晶片经过清洁，以确保其表面没有污染。随后，硅片在高温下（扩散炉）加热。掺杂剂原子能够进入到半导体材料中，完成扩散后，进行退火等后处理，以稳定化掺杂剂的分布。

离子注入

离子注入使用高电压将离子态的掺杂物加速到非常高的速度，加速后的离子被精确地射向硅片的表面。由于离子具有高动能，它们会穿透硅片的表面并进入其内部。详见下几次的文章。

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