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Le silicium est un matériau semi-conducteur et sa résistivité est étroitement liée à la concentration de dopage. Le dopage consiste à introduire une petite quantité d'impuretés dans les cristaux de silicium pour modifier leurs propriétés électriques. Selon les exigences du type de conductivité et de la résistivité, les éléments du groupe V (tels que P, As, Sb, Bi) doivent être sélectionnés pour préparer des monocristaux de silicium de type N ; tandis que la préparation du silicium de type P nécessite des éléments du groupe III (tels que B, Al, Ga, In, Ti). La teneur en éléments d'impuretés dans les cristaux de silicium détermine la résistivité électrique des monocristaux de silicium.

1. La relation entre la résistivité et la concentration d'impuretés

La résistivité n'est pas seulement liée à la concentration en impuretés, mais aussi à la mobilité des porteurs de charge. Lorsque la concentration d’impuretés est élevée, les impuretés ont un effet diffusant sur les porteurs de charge. Cela peut réduire considérablement la mobilité des porteurs de charge, affectant ainsi la conductivité du cristal de silicium. Ainsi, la courbe de relation entre la résistivité et la concentration en impuretés a été théoriquement calculée comme le montre la figure 1.

Fig. 1 Relation entre la résistivité et la concentration en impuretés du silicium

La résistivité est influencée à la fois par la concentration en porteurs (concentration en impuretés) et par la mobilité, de sorte que la résistivité et la concentration en impuretés ne sont pas liées de manière linéaire.

Pour les semi-conducteurs non intrinsèques, la résistivité électrique d’un matériau est principalement liée à la concentration et à la mobilité des porteurs majoritaires.

Lorsque la concentration en impuretés augmente, la courbe s’écarte considérablement de la ligne droite, principalement en raison de :

1) Les impuretés ne peuvent pas être complètement ionisées à température ambiante ;

2) La mobilité diminue considérablement avec l'augmentation de la concentration en impuretés.

En raison de la mobilité différente des électrons et des trous, la conductivité intrinsèque d’un semi-conducteur n’est pas nécessairement la plus petite à une certaine température.

2. LaRrelationBentreRsistivité etTtempérature

Dans la plage de température modérée dominée par une excitation non intrinsèque (environ entre 200K et 450K), les impuretés sont complètement ionisées et la concentration en électrons reste pratiquement inchangée. Cependant, en raison de la diminution de la mobilité des porteurs avec l'augmentation de la température dans cette plage de température, la conductivité des matériaux semi-conducteurs présente également une légère diminution avec l'augmentation de la température. Lorsque la température augmente encore, elle entre dans la région d'excitation intrinsèque et la concentration de porteurs de charge intrinsèques augmente rapidement avec l'augmentation de la température, de sorte que la conductivité augmente également rapidement avec l'augmentation de la température.

Lorsque la température est relativement basse, en raison de l'effet de congélation des atomes d'impuretés, la concentration en porteurs et la conductivité du matériau semi-conducteur diminuent continuellement avec la diminution de la température.

Fig. 2 Concentration électronique et conductivité en fonction de la température inverse pour le silicium

Comme le montre la figure 2, lorsque la concentration de dopage N des impuretés du donneur est de 1E15cm^-3, la courbe de relation entre la concentration électronique et sa conductivité dans le silicium avec les changements de température.

Fig. 3 Relation entre la résistivité et les changements de température

Il existe trois types de dopage dans le processus de production, basés sur la résistivité électrique élevée et faible :

Dopage léger, adapté aux monocristaux appliqués dans un redresseur haute puissance ;

Dopage moyen, adapté aux monocristaux utilisés dans les transistors ;

Dopage lourd, idéal pour les substrats monocristallins pour la croissance épitaxiale.

Compte tenu de la stabilité thermique de l'ensemble du dispositif semi-conducteur et du processus de fabrication des dispositifs semi-conducteurs, en particulier dans les processus à haute température tels que la diffusion et l'épitaxie, il est souvent requis que le coefficient de diffusion des éléments dopés dans les monocristaux de silicium soit plus petit et meilleur. Sinon, lorsque la diffusion à haute température est utilisée pour fabriquer des dispositifs, les impuretés présentes sur le substrat pénètrent également dans la couche épitaxiale par anti-diffusion, affectant la redistribution des impuretés et nuisant aux performances électriques du dispositif.

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