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Difusión de Estado Sólido

La difusión de estado sólido es un proceso directo y el método típico para introducir átomos dopantes en semiconductores. En el procesamiento de células solares de silicio, los sustratos de partida típicamente están uniformemente dopados con boro dando una base de tipo p. La capa emisora de tipo n se forma mediante el dopaje con fósforo (véase Dopaje).

solid_state_diffusion.gif
Solid state diffusion. Heating the wafer at a high temperature in an atmosphere containing dopant atoms causes some of the atoms to be incorporated into the top surface of the wafer.

 Cálculo de contorno de difusión (Ghandi1)

En su forma más simple, el proceso de difusión sigue la ley de Fick:

Donde j es la densidad de flujo (átomos cm-2), D es el coeficiente de difusión (cm2 s-1), N es el volumen de concentración (átomos cm-3) y x es la distancia (cm).

Los contornos se pueden calcular para casos específicos. Los casos típicos son una fuente ilimitada tal como el calentamiento de una oblea en presencia de un gas saturado portador de fósforo y luego apagar la fuente e introducirlos átomos de fósforo en la superficie.

Diffusion from an Unlimited Source

Las difusiones de una fuente ilimitada producen comúnmente una unión poco profunda con una concentración superficial muy alta de átomos de fósforo. La difusión se describe por la función de error complementario.

Donde N0 es la concentración de impurezas en la superficie (átomos cm-3), D es la difusividad (cm2 s-1), x es la profundidad (cm) y t es el tiempo (s). Una difusión en un simple paso es útil cuando no hay pasivación superficial del dispositivo.

Difusión desde una fuente ilimitada

Las difusiones consisten a menudo en un proceso de dos pasos: una pre-deposición corta como se ha descrito anteriormente, seguida de un accionamiento más largo a una temperatura más alta para proporcionar un emisor dopado ligeramente en profundidad. Un análisis simplificado del accionamiento asume que está a una temperatura más alta y que los átomos dopantes incorporados en la pre-deposición simplemente se redistribuyen. El perfil final es Gaussiano y es descrito por:

Efectos de segundo orden causan desviaciones de los modelos simples 2 y, entonces, simulaciones por computadora son utilizadas.

 

7001000

 

7001200

 

03

 

050

Contorno de dopaje resultantes de una etapa de pre-deposición de fósforo más un accionamiento a  alta temperatura. Los cálculos suponen que la temperatura de accionamiento es mayor que la temperatura de pre-deposición. Los cálculos son aproximados y no incluyen efectos de segundo orden como el "kink".3