Silizium-Dotierung bei winzigen Transistoren



  • Hallo,

    ich habe einmal gelesen (falls ich mich nicht ganz grob irre), dass bei der Prozessorherstellung hochreines Silicium verwendet wird mit max. einem Fremdatom auf 10 Millionen Siliciumatome. Außerdem habe ich gehört, dass Halbleiter normalerweise mit ca. einem Dotierungsatom pro 1000 bis 1000000 Siliciumatomen dotiert werden. Gleichzeitig soll die mittlere Schicht bei Prozessortransistoren nur etwa 5 Atome dick sein. Wie soll da noch eine genaue Dotierung erreicht werden?

    mfg



  • Was meinst du mit "genauer Dotierung"?
    Ich hab deine Angaben jetzt nicht nachgeprüft, aber ich denk es genügt doch, wenn *im Mittel* pro Volumeneinheit die gewünschte Anzahl Leitungselektronen bzw. -Löcher bereitstehen. Dass die jetzt perfekt räumlich verteilt sein müssen ist sicher nicht nötig.



  • Ich habe mir gedacht, dass zumindest die mittlere Schicht im Transistor, wenn sie nur ca. 5 Atome dick ist, sehr wenige Atome enthalten müsste. Da läge es ja nahe, dass unter knapp einer Milliarde Transistoren mindestens einer vorliegt, bei dem gar kein Dotierungsatom im Silicium vorhanden ist.


  • Mod

    Atome sind sehr klein. So ein Transistor hat auch bei 5 Atomlagen Dicke (sicher mit dem Wert?) immer noch sehr viele Atome.

    edit: Soweit ich weiß ist das aber durchaus ein minderschweres Problem, weil variabel ist, wie gut jeder einzelne Transistor ist und das Design der Schaltung muss darauf ausgelegt sein.



  • Außerdem erstreckt sich eine Schicht ja nicht unbedingt nur über einen einzelnen Transistor, auch wenn die jetzt nur 5 Atome dick is is die sicher immer noch groß genug 😉



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  • Das bittere an dem Thread: Ich wusste das alles mal 😞

    Das einzige das ich zu dem Thema hilfreich beitragen kann (und selbst da bin ich mir nicht mehr sicher) ist, dass die Wafer schon bei der Herstellung p-dotiert werden.



  • Tim schrieb:

    Das bittere an dem Thread: Ich wusste das alles mal 😞

    Je mehr man lernt, desto mehr kann man wissen.
    Je mehr man weiß, desto mehr kann man vergessen.
    Je mehr man vergisst, desto weniger weiß man.
    Wozu also lernen?



  • wxSkip schrieb:

    Hallo,

    ich habe einmal gelesen (falls ich mich nicht ganz grob irre), dass bei der Prozessorherstellung hochreines Silicium verwendet wird mit max. einem Fremdatom auf 10 Millionen Siliciumatome. Außerdem habe ich gehört, dass Halbleiter normalerweise mit ca. einem Dotierungsatom pro 1000 bis 1000000 Siliciumatomen dotiert werden. Gleichzeitig soll die mittlere Schicht bei Prozessortransistoren nur etwa 5 Atome dick sein. Wie soll da noch eine genaue Dotierung erreicht werden?

    1. Das mit den 5 Atomlagen Dicke glaube ich erstmal nicht. Ich glaube, da ist etwas anderes, was nur 5 Atomlagen dick ist. Und zwar das isolierende Material zwischen Gate-Elektrode und dem Kanal.

    2. Ein MOSFET sieht ja in etwa so aus...

    ------------
                |   Gate   |
                |Electrode |
    ---------   ------------   ---------
    Source  |   |Insulator |   |Drain
    ------------------------------------
       |    n    |   p    |    n    | 
       ------------------------------
    

    Also, man hat 3 Elektroden Source, Gate und Drain. Die Gate-Elektrode liegt ueber einem Isolator, Source und Drain sind mit n-dotierten Bereichen verbunden und zwischen den n-dotierten Bereichen ist ein p-dotierter Bereich.

    Wofuer brauchen wir jetzt diese Dotierungen? Also vor allem haben wir durch diese Dotierungen erstmal 2 pn-Uebergaenge. Das heisst, dass wir ohne irgendwelche angelegten Spannungen erstmal Verarmungszonen von Ladungstraegern haben. Vom p-dotierten Bereich wandern Loecher in den n-dotierten Bereich und rekombinieren da mit Elektronen. Andersherum laeuft das genauso. Das heisst, dass nahe den pn-Uebergaengen keine freien Ladungstraeger mehr vorhanden sind. Der Transistor leitet in diesem Fall nicht.

    Wie bringen wir den jetzt zum leiten? Da hole ich mal etwas aus. Elektronen in Materialien sind immer in irgendwelchen "Zustaenden". Die Zustaende, die es gibt, sind materialabhaengig. Und sie werden vom energetisch niedrigsten Zustand nach oben hin besetzt, bis alle Elektronen einem Zustand zugewiesen wurden. Und in jedem Material gibt es ein Energienieveau, das den hoechsten bestzten Zustand bezeichnet. Das ist das sogenannte Fermi-Niveau. In periodischen Materialien, wie Kristallen, sind Zustaende innerhalb sogenannter "Baender". Das sind jeweils Energiebereiche, in denen es sehr viele Zustaende gibt, die besetzt werden koennen. Bei einem Metall ist es nun so, dass das Fermi-Niveau genau innerhalb so eines Bandes liegt. Dadurch koennen Elektronen durch ganz geringe Energiezufuhr in hoeher liegende Zustaende angeregt werden und das ist praktisch die Grundvoraussetzung dafuer, dass das Material leitend ist. In Halbleitern und Isolatoren liegt das Fermi-Niveau hingegen genau zwischen 2 Baendern. Man spricht dann im Falle von Halbleitern auch von einem Valenzband unterhalb des Fermi-Niveaus und von einem Leitungsband oberhalb des Fermi-Niveaus. Da hier keine Zustaende zwischen dem besetzten Valenzband und dem nichtbesetzten Leitungsband liegen, braucht man viel Energie, um Elektronen in hoehere Zustaende anzuregen. Das ist auch bei Silizium so, deshalb ist Silizium erstmal nichtleitend. Ok, was passiert jetzt, wenn man an der Gate-Elektrode eine Spannung anlegt? Naja, das fuehrt dazu, dass sich die Baender verbiegen. Wenn man eine Spannung anlegt, die stark genug ist, dann kann man es erreichen, dass die untere Leitungsbandkante vom Silizium in der Naehe des Isolators unter das Fermi-Niveau gebogen wird. Das bedeutet, dass man ploetzlich besetzte Zustaende im Leitungsband hat. Und die Elektronen in diesen Zustaenden kann man leicht anregen, weil im Leitungsband ja viele weitere Zustaende zur Verfuegung stehen. Deshalb entsteht dort dann eine leitende Schicht. Man kann die Baender aber auch in die andere Richung verbiegen, wenn man eine umgekehrte Spannung anlegt. In dem Fall biegt man auch das Valenzband nach oben. Wenn die obere Valenzbandkante das Fermi-Niveau durchstoesst, dann haben wir ploetzlich Loecher im Kanal. Wir verstaerken dann also den Effekt der p-Dotierung. Wir kriegen sogar einen Kanal, der mit Loechern leitend ist. Aber vor allem verstaerken wir auch den Effekt der Verarmungszone beim pn-Uebergang (IMHO). IMHO kann man also eine fehlende p-Dotierung im Kanal durch geschickte Wahl von anliegenden Spannungen an der Gate-Elektrode ausgleichen.

    Aber generell hast Du natuerlich Recht: Dotierungen muss man statistisch sehen. Das kann man AFAIK nicht so genau machen, dass man sich aus dieser Sichtweise loesen kann. Und wenn die Strukturen immer kleiner werden, dann ist es fraglich, wie lange so eine statistisch bedingte Funktionsweise noch gewaehrleistet werden kann.



  • Danke, da ich den Artikel gelesen habe, bevor ich über Transistoren Bescheid wusste, muss ich da wohl etwas falsch aufgeschnappt haben. Ich konnte mich nämlich nur noch daran erinnern, dass sie eine Schicht mit 5 Atomen dünner machen wollten und dabei aber dann Elektronen diese Schicht überspringen konnten (was dann das Moore'sche Gesetz (hieß das so?) in Gefährdung brachte). Und da der gesamte Transistor grob 100 Atome groß ist (ein Siliziumatom ist etwa 0,26 Nanometer groß) und ich wusste, dass die p-Schicht dünner ist als die beiden n-Schichten, dachte ich, das müsste die p-Schicht sein, denn von einem Isolator hatten wir nichts gelernt. Danke für die Erklärung! 👍

    @SeppJ: Ich kann mir zwar im Moment nicht vorstellen, wie das funktionieren soll, aber offensichtlich ist es die einzige logische Erklärung bisher.

    @dot: Wie soll das funktionieren, eine Schicht, die größer ist als der Transistor? Wenn die Schicht zwischen mehreren Transistoren verläuft, müssten Elektronen doch vom einen Transistor in den anderen fließen können, oder nicht?



  • wxSkip schrieb:

    @dot: Wie soll das funktionieren, eine Schicht, die größer ist als der Transistor? Wenn die Schicht zwischen mehreren Transistoren verläuft, müssten Elektronen doch vom einen Transistor in den anderen fließen können, oder nicht?

    Naja, beim Substrat oder bei einem Well z.B. sollte das egal sein denk ich. Aber bei Source und Drain geht das natürlich nicht, das ist schon richtig.



  • wxSkip schrieb:

    Ich konnte mich nämlich nur noch daran erinnern, dass sie eine Schicht mit 5 Atomen dünner machen wollten und dabei aber dann Elektronen diese Schicht überspringen konnten (was dann das Moore'sche Gesetz (hieß das so?) in Gefährdung brachte).

    Ja, da ging es wohl um den Isolator unterhalb der Gate-Elektrode. Der Punkt dabei ist, dass die Gate-Elektrode zusammen mit dem Silizium unterhalb des Isolators mehr oder weniger einen Plattenkondensator bildet. Und die Kapazitaet dieses Kondensators muss wohl eine bestimmte Groesse haben, die bei Miniaturisierung groesser werden muss. Das kann man dadurch erreichen, dass man die Isolatorschicht duenner macht. Wenn man die aber zu duenn macht, dann kann es zu einem Tunnelstrom durch den Isolator hindurch kommen.

    Bis vor einigen Jahren hat man als Isolatormaterial SiO2 genommen. Und durch die fortschreitende Miniaturisierung ist das irgendwann zu duenn geworden. Deshalb setzt man da inzwischen sogenannte High-k-Dielektrika ein. Mit denen kann man die Isolatorschicht wieder etwas dicker gestalten und trotzdem eine hohe Kapazitaet im Kondensator behalten.

    Also: es gibt eine Loesung fuer zu duenne Isolatorschichten und die heisst "anderes Isolatormaterial". Ich weiss allerdings nicht, ob man da schon wieder an eine Grenze stoesst oder ob man noch etwas Luft nach unten hat.



  • Ok, jetzt ist noch eine Frage aufgekommen zu einer Solar-/Fotozelle:
    Eine Solarzelle hat ja eine n- und eine p-dotierte Schicht, zwischen denen in einem kleinen Bereich die freien Elektronen der n-Schicht die Löcher in der p-Schicht füllen. Was passiert jetzt, wenn ein Photon eintrifft?

    1. Möglichkeit:
    Ein Elektron wird aus dem Siliziumgitter herausgelöst und es entsteht wieder ein freies Elektron und eine positive Lücke. Dieses Elektron wandert zurück in die n-Schicht aufgrund der dort vorhandenen positiven Dotierungsatome und "drängt" die anderen Elektronen in der n-Schicht zum Ausgang. Somit ist der Minuspol an der n-Schicht.

    2. Möglichkeit:
    Innerhalb der mittleren Zone wird ein Elektron aus dem Siliziumgitter herausgelöst und es entsteht ein Elektron und eine Lücke. Das Elektron sucht sich möglicherweise eine Lücke, die weiter in der p-Schicht liegt (weiter von der n-Schicht entfernt) und die neu entstandene Lücke kann von einem anderen Elektron belegt werden. Die Elektronen wandern so immer weiter zum Ausgang in der p-Schicht und dort liegt der Minuspol. Die Elektronen wandern durch das Stromkabel und kommen am Pluspol der Solarzelle wieder an, wo sie die entstandenen Löcher in der n-Schicht wieder füllen können.



  • Bei einer Solarzelle wird der pn-Uebergang in Sperrichtung betrieben. Das heisst, Du legst eine positive Spannung an die n-dotierte Schicht an und eine negative an die p-dotierte Schicht. Das vergroessert die Ladungstraegerverarmungszone, da die Elektronen aus der n-Schicht zur positiven Spannung hin gezogen werden und die Loecher in der p-Schicht zur negativen Spannung.

    Wenn jetzt ein Photon mit ausreichender Energie auf die Verarmungszone trifft, dann wird dort ein freies Elektron und ein freies Loch erzeugt. Das Elektron wandert in die n-dotierte Zone, da dort eine positive Spannung anliegt, das Loch wandert in die p-dotierte Zone.

    Zusatz: In der n-Schicht sind keine "positiven Dotieratome". Si hat in der aeussersten Schale 4 Elektronen, die n-Schicht dotiert man mit Atomen, die 5 Elektronen in der ausseren Schale haben, die p-Schicht dotiert man mit Atomen, die 3 Elektronen in der ausseren Schale haben.

    Was passiert jetzt dadurch? Naja, das 5. Elektron wird nicht fuer die Bindungen im Kristall benoetigt. Es ist nur schwach an das Atom gebunden und man braucht nur eine kleine Energie, um es ins Leitungsband anzuheben. Das sieht also ungefaehr so aus:

    Nichtdotiert              n-dotiert
    
    -------------------       -------------------
    Leitungsband              Leitungsband
    -------------------       -------------------
                              --------E_F--------
                              ---5. Elektron-----
    
    --------E_F--------
    
    -------------------       -------------------
    Valenzband                Valenzband
    -------------------       -------------------
    

    Durch den nun vorhandenen und durch das 5. Elektron besetzten Zustand innerhalb der Bandluecke, wird die Fermi-Energie E_F (bzw. das Fermi-Niveau) also ein ganzes Stueckchen hochgeschoben. Dem Elektron in diesem Zustand muss nur wenig Energie zugefuehrt werden, um ins Leitungsband angehoben zu werden. So wenig Energie, dass die thermische Energie bei Raumtemperatur dazu ausreicht. Deshalb sind diese Elektronen praktisch frei beweglich, auch wenn es nicht besonders viele sind. Diese Elektronen koennen als Ladungstraeger dienen. Im p-dotierten Halbleiter ist es genau andersherum und eben mit Loechern statt mit Elektronen.

    In der n-dotierten Schicht hat man also eine geringe Konzentration an freien Elektronen, in der p-dotierten Schicht hat man eine geringe Konzentration von freien Loechern.

    Im allgemeinen sind die n-dotierte Schicht und die p-dotierte Schicht aber jeweils ladungsneutral. In der Naehe des pn-Uebergangs ist das allerdings anders. Dort diffundieren Loecher in die n-Schicht und Elektronen in die p-Schicht. Deshalb hat man dort dann eine positive Ladung in der n-Schicht und eine negative Ladung in der p-Schicht. Dadurch entsteht im Uebrigen auch ein recht starkes E-Feld zwischen diesen beiden Bereichen. Groessenordnungsmaessig liegt das bei 10^6 V/m. Felder dieser Groessenordnung nutzt man auch in einem Teilchenbeschleuniger, dort aber natuerlich ueber einen groesseren Bereich.

    EDIT: Hmmm... ich komme gerade darauf, wie Du das mit den "positiven Dotieratomen" gemeint haben koenntest. Wenn das 5. Elektron vom Dotieratom geloest wird, dann kann man das Atom natuerlich als positiv geladen ansehen. Aber das freie Elektron ist ja nicht weg. Die Schichten sind jenseits vom pn-Uebergang erstmal ladungsneutral. ...die Verarmungszone beim pn-Uebergang nennt man uebrigens auch Raumladungszone. In dieser Zone befinden sich zwar keine FREIEN Ladungstraeger, insgesamt ist sie aber geladen.



  • Gregor schrieb:

    Wenn jetzt ein Photon mit ausreichender Energie auf die Verarmungszone trifft, dann wird dort ein freies Elektron und ein freies Loch erzeugt. Das Elektron wandert in die n-dotierte Zone, da dort eine positive Spannung anliegt, das Loch wandert in die p-dotierte Zone.

    War das die Antwort auf meine Frage (d.h. 1. wäre richtig)?

    Pluspol der Solarzelle | p-Schicht | n-Schicht | Minuspol der Solarzelle
    

    Was meinst du damit, dass Spannung an die Solarzelle angelegt wird? Sie ist doch selbst für die Spannung verantwortlich!?

    Den Rest habe ich soweit verstanden. Meine Frage bezog sich hauptsächlich darauf, wohin die losgelösten Elektronen wandern.



  • wxSkip schrieb:

    Was meinst du damit, dass Spannung an die Solarzelle angelegt wird? Sie ist doch selbst für die Spannung verantwortlich!?

    Oh, ups. Da muss ich mich korrigieren. Bei Photodioden macht man das teilweise so. Bei Solarzellen ist tatsächlich keine Spannung angelegt. Trotzdem bleibt alles so wie ich gesagt habe. Die Elektronen wandern in den n-dotierten Bereich, die Löcher in den p-dotierten Bereich. Grund: Die Raumladungszone. Im n-dotierten Bereich haben wir da eine positive Ladung, im p-dotierten Bereich eine negative Ladung.


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