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El silicio es un material semiconductor y su resistividad está estrechamente relacionada con la concentración de dopaje. El dopaje consiste en introducir una pequeña cantidad de impurezas en los cristales de silicio para alterar sus propiedades eléctricas. De acuerdo con los requisitos de tipo de conductividad y resistividad, se deben seleccionar elementos del grupo V (como P, As, Sb, Bi) para preparar monocristales de silicio tipo N; mientras que la preparación del silicio tipo P requiere elementos del Grupo III (como B, Al, Ga, In, Ti). El contenido de impurezas en los cristales de silicio determina la resistividad eléctrica de los monocristales de silicio.

1. La relación entre resistividad y concentración de impurezas

La resistividad no sólo está relacionada con la concentración de impurezas, sino también con la movilidad de los portadores de carga. Cuando la concentración de impurezas es alta, las impurezas tienen un efecto de dispersión sobre los portadores de carga. Puede reducir en gran medida la movilidad de los portadores de carga, afectando así la conductividad del cristal de silicio. Por lo tanto, la curva de relación entre resistividad y concentración de impurezas se calculó teóricamente como se muestra en la Fig. 1.

Fig. 1 Relación entre resistividad y concentración de impurezas del silicio.

La resistividad está influenciada tanto por la concentración del portador (concentración de impurezas) como por la movilidad, por lo que la resistividad y la concentración de impurezas no están relacionadas linealmente.

Para los semiconductores no intrínsecos, la resistividad eléctrica de un material está relacionada principalmente con la concentración y la movilidad del portador mayoritario.

Cuando aumenta la concentración de impurezas, la curva se desvía significativamente de la línea recta, debido principalmente a:

1) Las impurezas no pueden ionizarse completamente a temperatura ambiente;

2) La movilidad disminuye significativamente con el aumento de la concentración de impurezas.

Debido a la diferente movilidad de los electrones y los huecos, la conductividad intrínseca de un semiconductor puede no ser necesariamente la más pequeña a una determinada temperatura.

2. ÉlRjúbiloBentreResistividad yTtemperatura

En el rango de temperatura moderada dominado por la excitación no intrínseca (aproximadamente entre 200 K y 450 K), las impurezas están completamente ionizadas y la concentración de electrones permanece básicamente sin cambios. Sin embargo, debido a la disminución de la movilidad del portador al aumentar la temperatura dentro de este rango de temperatura, la conductividad de los materiales semiconductores también muestra una ligera disminución al aumentar la temperatura. Cuando la temperatura aumenta aún más, ingresa a la región de excitación intrínseca y la concentración de portadores de carga intrínsecos aumenta rápidamente con el aumento de la temperatura, por lo que la conductividad también aumenta rápidamente con el aumento de la temperatura.

Cuando la temperatura es relativamente baja, debido al efecto de congelación de los átomos de impureza, la concentración de portadores y la conductividad del material semiconductor disminuyen continuamente con la disminución de la temperatura.

Fig. 2 Concentración y conductividad de electrones versus temperatura inversa para el silicio

Como se muestra en la Fig. 2, cuando la concentración de dopaje N de impurezas del donante es 1E15cm^-3, la curva de relación entre la concentración de electrones y su conductividad en el silicio con los cambios de temperatura.

Fig. 3 Relación entre resistividad y cambios de temperatura.

Existen tres tipos de dopaje en el proceso productivo en función de la alta y baja resistividad eléctrica:

Dopaje ligero, adecuado para monocristales aplicados en rectificadores de alta potencia;

Dopaje medio, adecuado para monocristales utilizados en transistores;

Dopaje intenso, ideal para sustrato monocristalino para crecimiento epitaxial.

Teniendo en cuenta la estabilidad térmica de todo el dispositivo semiconductor y en el proceso de fabricación de dispositivos semiconductores, especialmente en procesos de alta temperatura como la difusión y la epitaxia, a menudo se requiere que el coeficiente de difusión de los elementos dopados en monocristales de silicio sea menor y mejor. De lo contrario, cuando se utiliza difusión a alta temperatura para fabricar dispositivos, las impurezas del sustrato también ingresan a la capa epitaxial a través de la antidifusión, lo que afecta la redistribución de impurezas y afecta negativamente el rendimiento eléctrico del dispositivo.

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