Nečistoča doping je zelo pomemben korak pri proizvodnji čipov. Skoraj vsa integrirana vezja, LED, napajalne naprave itd. Zahtevajo doping. Zakaj torej doping? Kakšne so metode dopinga? Kakšna je vloga dopinga?
Zakaj doping?
Notranji silicij ima slabo prevodnost. V notranji silicij je treba vnesti majhno količino nečistoč, da se poveča število premičnih elektronov ali lukenj za izboljšanje njegovih električnih lastnosti, tako da lahko silicij izpolnjuje standarde za proizvodnjo polprevodnikov.
Kaj je notranji silicij?
Notranji silicij se nanaša na čistega silicija, silicija, ki ni dopiran z nobenimi nečistosti, njegovo število prostih elektronov in lukenj pa je enako. Notranji silicij je polprevodniški material s slabo prevodnostjo pri sobni temperaturi.
Kaj je silicij tipa N?
Silicij tipa N izdeluje doping čisti silicij s pentavalentnimi elementi (na primer p, kot itd.). Atomi pentavalentnih elementov, kot sta fosfor in arzen, nadomeščajo položaj silicijevih atomov. Ker je silicij 4- Valent, bo še dodaten elektron. Dodatni elektroni se lahko prosto gibljejo in nosijo negativno naboj. N pomeni negativno.
N+: Močno dopiran polprevodnik N-tipa. N-: rahlo dopiran polprevodnik N-tipa.
Kaj je silicij tipa P?
Silicij tipa P izdeluje doping čisti silicij s trivalentnimi elementi (kot so B, GA itd.). Atomi trivalentnih elementov, kot sta boron in Gallium, nadomeščajo položaj silicijevih atomov, vendar v primerjavi s silikonskimi atomi nima elektrona. V položaju, kjer elektron manjka, se pojavi luknja. Sama luknja ima pozitiven naboj in lahko sprejme elektrone, zato se imenuje silicij tipa P. P pomeni pozitivno.
P+, kar pomeni zelo dopiran polprevodnik tipa P z visoko koncentracijo. P-, kar pomeni polprevodnik tipa P z nizko koncentracijo dopinga.
Skupni pentavalentni elementi
Pentavalentni elementi so skupinski elementi VA v periodični tabeli, ki jih predstavljata P in AS. Ta dva elementa imata 5 elektronov v najbolj oddaljeni plasti, od katerih lahko 4 tvori kovalentne vezi s silikonskimi atomi, preostali pa je prosti elektron.
Fosfor (P) je nemetalni element z različnimi alotropi, najpogostejši od njih so beli fosfor, rdeč fosfor in črni fosfor. Arzen (AS) je metaloidni element s kovinskim sijajem in kemičnimi lastnostmi, podobnimi fosforu, vendar so arzenske spojine na splošno bolj stabilne. Arzen trioksid je arzenski oksid, AS2O3.
Skupni trivalentni elementi
Trivalentni elementi so elementi skupine IIIA v periodični tabeli, ki jih predstavljata boro (b) in galij (GA). Ta dva elementa imata 3 elektrone v najbolj oddaljeni plasti.
- BORO (B) je trd in krhek nemetalni element s črno ali rjavo barvo. V naravi večinoma obstaja v obliki njegovih oksidov ali boratov, pogoste snovi pa vključujejo borovo kislino, boraks itd.
- Gallium (GA) je mehka kovina z nizko tališče. Njegova tališča je približno 29,76 stopinj, GAAS pa se pogosto uporablja kot polprevodniški material. Poleg tega se Gallium uporablja tudi pri proizvodnji sončnih celic, LED itd.
Pogoste metode dopinga
Trenutno obstajata dve glavni metodi, in sicer difuzijska in ionska implantacija:
- Difuzija
Prvič, polprevodniška rezina se očisti, da se zagotovi, da na njegovi površini ni kontaminacije. Nato se silicijeva rezina segreje pri visoki temperaturi (difuzijska peč). Atomi dopantov lahko vstopijo v polprevodniški material, po difuziji pa se za stabilizacijo porazdelitve dopantov izvede naknadno obdelavo, kot je žarjenje.
- Ionska implantacija
Ionska implantacija uporablja visoko napetost za pospeševanje ioniziranih dopantov do zelo visokih hitrosti, pospešeni ioni pa so natančno ustreljeni na površini silicijeve rezine. Ker imajo ioni visoko kinetično energijo, bodo prodrli na površino silicijeve rezine in vstopili v notranjost.