Doping (halvleder)
Inden for halvledere er doping handlingen ved at tilføje urenheder i små mængder til et rent stof for at ændre dets ledningsevneegenskaber.
Halvleders egenskaber styres stort set af mængden af ladebærere, de indeholder. Disse bærere er elektroner eller huller . Doping af et materiale består i at indføre atomer af et andet materiale i dets matrix . Disse atomer vil erstatte visse indledende atomer og dermed indføre flere elektroner eller huller.
Dopingsmaterialets atomer kaldes også urenheder og er i den fortyndede fase: deres koncentration forbliver ubetydelig sammenlignet med atomerne i det oprindelige materiale.
Ledning i halvledere
En halvleder er et krystallinsk fast stof, hvis elektriske ledningsegenskaber bestemmes af to bestemte energibånd : på den ene side valensbåndet , der svarer til elektronerne involveret i kovalente bindinger ; på den anden side ledningsbåndet , der omfatter elektronerne i en ophidset tilstand, som kan bevæge sig i krystallen.
Disse to bånd er adskilt af et hul , et forbudt bånd , som elektronerne kun kan krydse takket være en ekstern excitation (for eksempel absorption af en foton ). Det forbudte bånd svarer til en energibarriere, hvis størrelsesorden er elektron-volt .
Elektronerne til stede i ledningsbåndet muliggør ledning af strømmen. Ledning af strømmen kan betragtes som ret ækvivalent med hensyn til elektronhuller, der bevæger sig i valensbåndet. Den elektron densitet (koncentration pr volumenenhed) betegnes n , at af hullerne s .
I en iboende eller ren halvleder er der intet dopingatom. Alle elektroner til stede i ledningsbåndet kommer derfor fra valensbåndet. Der er derfor lige så mange elektroner som der er huller :; er den iboende koncentration. Enhver doping tjener til at ændre denne balance mellem elektronerne og hullerne for at fremme elektrisk ledning af en af de to typer bærere.
For eksempel til silicium ved temperaturen på 300 K, 1,45 × 10 10 elektroner / cm 3 .
Vi har stadig loven om masseaktion :
N- type og P- type doping
Doping udføres ved at indføre urenheder i krystallen på en halvleder for at øge antallet af gratis bærere. Denne indsættelse udføres ved diffusion eller ved transmutation.
Der er to typer doping:
- doping af N-type , som består af at indsætte donor typen atoms elektroner for at opnå en høj tæthed af elektroner til rådighed, som er n égativement indlæst ;
- Doping af P-type , der indebærer indsættelse typen atomer elektronacceptor at opnå en lavere tæthed af elektroner fri, så et overskud af huller , betragtes s ositivement indlæst .
Det er muligt at udføre de to typer doping, som derefter kan delvist eller fuldstændigt kompenseres for. I sidstnævnte tilfælde opnås en såkaldt indre halvleder ved kompensation eller mere simpelt en kompenseret halvleder . Interessen er at opnå en halvleder med større elektrisk ledningsevne.
De følgende diagrammer viser eksempler på henholdsvis siliciumdoping med fosfor ( N- doping ) og bor ( P- doping ). I tilfælde af fosfor (til venstre) bringes der en ekstra elektron ind. I tilfælde af bor (til højre) mangler en elektron; det er således et elektronhul, der bringes.
Type N doping |
P-type doping |
Donor- og acceptoratomer
Urenhedsatomet forårsager effekter, der afhænger af den søjle, det indtager i det periodiske system af Mendeleev , sammenlignet med søjlen for det atom, det erstatter.
- Hvis dopingatomet hører til den samme kolonne som det atom, det erstatter, er de isovalente (eller isoelektriske ). Valenselektronerne i urenhedsatomet erstatter nøjagtigt elektronerne i det originale atom. Materialets elektriske ledningsegenskaber ændres ikke.
- Hvis dopingatomet hører til den forrige kolonne, mangler der en perifer elektron for at gendanne alle de indledende kovalente bindinger . En elektron -mangel derefter vises , med andre ord et hul . Det indsatte atom siges at være en (elektron) acceptor , fordi det er i stand til at modtage en ekstra elektron, der kommer fra valensbåndet . Det er en P- doping .
- Hvis dopingatomet hører til følgende kolonne, har det en ekstra elektron sammenlignet med det oprindelige atom. De oprindelige kovalente bindinger gendannes, men en af elektronerne bruges ikke i disse bindinger. Det er derfor i en fri tilstand af systemet. Det indsatte atom siges at være (elektron) donoren . Det er en N- doping .
Det samme dopingatom kan være både donor og acceptor: det siges derefter at være amfotert . Dette er for eksempel tilfældet med silicium (Si, søjle IV), som er et doteringsmiddel for galliumarsenid (GaAs): hvis Si erstattes af et galliumatom (søjle III), er det elektrondonor. Hvis det er en erstatning for et arsenatom (kolonne V), er det en acceptor.
Hvis ionisering energi er mindre end den omgivende termisk energi (hvor er Boltzmann konstant og temperaturen), så urenhedsatomer ioniseres ved værelse temperatur.
Ændring af energibåndets struktur
Doping forårsager nye acceptor og elektrondonorforbindelser niveauer vises i båndstruktur den doteret materiale. Disse niveauer vises i kløften mellem ledningsbåndet og valensbåndet .
Under N- doping (venstre diagram) forårsager introduktionen af elektrondonatomer fremkomsten af et pseudoenerginiveau placeret lige under ledningsbåndet. Således opnås den energi, der kræves for elektroner til at passere gennem ledningsbåndet, meget lettere end i en iboende halvleder.
Under P- doping (diagram til højre) fører introduktionen af elektronacceptoratomer på en lignende måde til udseendet af et pseudoniveau placeret over valensbåndet. Den energi, der skal tilføres valenselektronerne for at passere over dette acceptorniveau, er lav, og elektronernes afgang forårsager huller i valensbåndet.
Doping N |
P doping |
Dopingteknologi inden for mikroelektronik
Der er flere metoder til doping af et materiale:
- diffusion doping ;
- doping ved ionimplantation ;
- doping ved nuklear transmutation;
- doping ved hjælp af laserteknik .
Bemærk, at 3D-udskrivning i øjeblikket (2018) ikke kan udskrive dopet halvleder.
Diffusion doping
Doping ved diffusion udføres i en ovn. Dopmidlet kan fås fra:
- fra en fast kilde: prøven, der skal dopes, placeres i ovnen foran en fast forbindelse indeholdende dopemidlet. Doteringsmidlet atom transporteres derefter til prøven ved en gas inert bærer, ud fra forbindelsen fast stof, som ophøjet . Eksempel: P 2 O 5 ( N doping af silicium ).
- fra en flydende kilde: bærergassen bobler i væsken eller græsser dens overflade ved en valgt temperatur. Forbindelsens partialtryk i gassen er lig med væskens damptryk . Eksempel: P OCl 3 ( N- doping af silicium ).
- fra en gaskilde: gassen indeholdende dopingarten indføres i ovnen. Eksempler: P H 3 ( N doping af silicium ), B 2 H 6 ( P doping af silicium ), som H 3 ( N doping af silicium ).
Doping finder sted ved en temperatur mellem 850 ° C og 1150 ° C for at muliggøre diffusion af dopingarterne i materialet (prøven skal dopes).
Doping ved ionimplantation
Doping ved ionimplantation består i at accelerere ioniserede urenheder med et elektrisk felt for at give dem den nødvendige energi til at komme ind i det materiale, der skal dopes. Denne fremgangsmåde muliggør en bred vifte af doping elementer, der skal anvendes . Den monoenergiske stråle og vakuumkammeret muliggør stor reproducerbarhed og lokal doping.
Jo mere en ion accelereres, jo større er dens kinetiske energi , og jo dybere vil den synke ned i krystalgitteret på det substrat, der dopes. Således bestemmes dopingprofilen ved at kontrollere dosen og energien.
En af ulemperne ved doping ved ionimplantation er den stærke krystallinske lidelse, der genereres af stødene mellem de indfaldende ioner og materialets atomer. Dette genererer fejl, som øger sandsynligheden for kollision og mindsker mobiliteten for ladebærere.
transmutation doping
Doping ved transmutation udføres i en eksperimentel atomreaktor .
Dopmidlet opnås ved indfangningsreaktion af 30 Si- isotopen (til stede ved ca. 3% i silicium). Den således dannede 31 Si- isotop falder derefter mod 31 P ved β - radioaktivitet . Et dopingfosforatom (“N” -doping) introduceres således meget præcist i krystalgitteret og sikrer således en ensartet homogenitet.
De således oprettede halvledere bruges i kraftelektronikapplikationer , især styringen af elektriske motorer til sporvogne, TGV'er eller endda elektriske / hybridbiler.
Doping ved hjælp af laserteknik
Dopmidlet tilvejebringes af en forløbergas, der på forhånd er kemisorberet af silicium. En excimer-laser inducerer en meget hurtig fusions- / størkningscyklus (i størrelsesordenen 10 −8 s ), hvor dopemidlet diffunderes i væskefasen. Dopantdiffusionshastigheden er meget hurtig i den flydende fase og ubetydelig i den faste fase, gentagelsen af denne proces gør det muligt at opnå en dopantdensitet, der er større end opløselighedsgrænserne opnået med konventionelle teknikker.
Doping applikationer
Modulation af bærerkoncentrationer
Doping af halvledersubstrater gør det muligt at modulere deres elektriske ledningsevne over et bredt område. Således har stærkt dopede halvledere (kaldet N ++ og P ++ ) en ledningsevne tæt på metaller. Disse stærkt doterede områder støder især på, når det ønskes at skabe ohmske kontakter .
Beregning af ledningsevneområdetDet anses generelt for, at en krystal omfatter:
10 22 atomer / cm 3
En af vores hypoteser er, at koncentrationen af urenheder skal forblive ubetydelig sammenlignet med atomerne i krystallen, for eksempel med to størrelsesordener. Så lad os tage så meget som muligt:
10 20 ved / cm 3
Vi kan variere koncentrationen af bærere som 1: 1000, så op til:
10 17 ved / cm 3Dette giver en elektrisk ledningsgrad , der spænder fra:
10 −9 til 10 3 Ω −1 cm −1 .
Til sammenligning er ledningsevnen værdier ca.
10 6 Ω −1 cm −1 for et metal , og 10 −22 Ω −1 cm −1 til en isolator .Enheder og komponenter
Doping af halvledere er involveret i produktionen af næsten alle elektroniske komponenter: dioder , transistorer , integrerede kredsløb .
Relaterede artikler
Omfatter domæner
Relaterede felter
- Halvlederkredsløb
- Halvledermaterialer
- Bredbånds halvleder
- Spintronics