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Il silicio è un materiale semiconduttore e la sua resistività è strettamente correlata alla concentrazione del drogante. Il doping è l'introduzione di una piccola quantità di impurità nei cristalli di silicio per alterarne le proprietà elettriche. In base ai requisiti di tipo di conduttività e resistività, gli elementi del gruppo V (come P, As, Sb, Bi) dovrebbero essere selezionati per preparare singoli cristalli di silicio di tipo N; mentre la preparazione del silicio di tipo P richiede elementi del Gruppo III (come B, Al, Ga, In, Ti). Il contenuto di elementi impuri nei cristalli di silicio determina la resistività elettrica dei singoli cristalli di silicio.

1. La relazione tra resistività e concentrazione di impurità

La resistività non è legata solo alla concentrazione delle impurità, ma anche alla mobilità dei portatori di carica. Quando la concentrazione di impurità è elevata, le impurità hanno un effetto di dispersione sui portatori di carica. Può ridurre notevolmente la mobilità dei portatori di carica, influenzando così la conduttività del cristallo di silicio. Pertanto, la curva di relazione tra resistività e concentrazione di impurità è stata calcolata teoricamente come mostrato in Fig. 1.

Fig. 1 Relazione tra resistività e concentrazione di impurità del silicio

La resistività è influenzata sia dalla concentrazione del portatore (concentrazione di impurità) che dalla mobilità, quindi la resistività e la concentrazione di impurità non sono correlate in modo lineare.

Per i semiconduttori non intrinseci, la resistività elettrica di un materiale è principalmente correlata alla concentrazione e alla mobilità dei portatori maggioritari.

Quando la concentrazione delle impurità aumenta, la curva devia significativamente dalla retta, principalmente a causa di:

1) Le impurità non possono essere completamente ionizzate a temperatura ambiente;

2) La mobilità diminuisce significativamente con l'aumento della concentrazione di impurità.

A causa della diversa mobilità degli elettroni e delle lacune, la conduttività intrinseca di un semiconduttore potrebbe non essere necessariamente la più piccola ad una determinata temperatura.

2. Il RrelazioneBtraRresistività eTtemperatura

Nell'intervallo di temperature moderate dominato dall'eccitazione non intrinseca (approssimativamente tra 200K e 450K), le impurità sono completamente ionizzate e la concentrazione di elettroni rimane sostanzialmente invariata. Tuttavia, a causa della diminuzione della mobilità dei portatori all'aumentare della temperatura all'interno di questo intervallo di temperature, anche la conduttività dei materiali semiconduttori mostra una leggera diminuzione all'aumentare della temperatura. Quando la temperatura aumenta ulteriormente, entra nella regione di eccitazione intrinseca e la concentrazione dei portatori di carica intrinseci aumenta rapidamente con l'aumento della temperatura, quindi anche la conduttività aumenta rapidamente con l'aumento della temperatura.

Quando la temperatura è relativamente bassa, a causa dell'effetto di congelamento degli atomi di impurità, la concentrazione del portatore e la conduttività del materiale semiconduttore diminuiscono continuamente con la diminuzione della temperatura.

Fig. 2 Concentrazione di elettroni e conduttività rispetto alla temperatura inversa per il silicio

Come mostrato in Fig. 2, quando la concentrazione di drogaggio N delle impurità donatrici è 1E15 cm^-3, la curva di relazione tra la concentrazione di elettroni e la sua conduttività nel silicio al variare della temperatura.

Fig. 3 Relazione tra resistività e variazioni di temperatura

Esistono tre tipi di drogaggio nel processo produttivo in base all'alta e alla bassa resistività elettrica:

Doping leggero, adatto per cristalli singoli applicati in raddrizzatori ad alta potenza;

Doping medio, adatto per cristalli singoli utilizzati nei transistor;

Doping pesante, ideale per substrato monocristallino per crescita epitassiale.

Considerando la stabilità termica dell'intero dispositivo a semiconduttore e nel processo di produzione di dispositivi a semiconduttore, soprattutto nei processi ad alta temperatura come diffusione ed epitassia, è spesso richiesto che il coefficiente di diffusione degli elementi drogati nei singoli cristalli di silicio sia inferiore e migliore. Altrimenti, quando si utilizza la diffusione ad alta temperatura per realizzare dispositivi, le impurità sul substrato entrano anche nello strato epitassiale attraverso l'antidiffusione, influenzando la ridistribuzione delle impurità e influenzando negativamente le prestazioni elettriche del dispositivo.

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