矽的電阻率與摻雜濃度換算

由晶圓規格上的電阻率求出摻雜濃度,或由濃度求出電阻率。計算涵蓋 n 型(磷、砷)與 p 型(硼),並納入摻雜越多、遷移率越低的效應。

輸入條件

在任一欄輸入數值,即可算出另一欄。濃度可用 1e15 等指數形式輸入。

計算結果

摻雜濃度 N
–
電阻率 ρ
–
多數載子遷移率 μ
–
電導率 σ = 1/ρ
–

兩軸皆為對數刻度。實線為所選的導電類型,虛線為另一種導電類型。紅點為目前的數值(顯示範圍 10¹³~10¹⁹ cm⁻³)。

假設溫度 300 K、摻雜完全游離,並忽略少數載子的貢獻。遷移率採用 Caughey–Thomas 形式 μ = μmin + (μmax − μmin)/(1 + (N/Nref)^α),代入教科書常用的代表性擬合值(電子:μmax 1414、μmin 68.5 cm²/V·s、Nref 9.2×10¹⁶ cm⁻³、α 0.711;電洞:470.5、44.9、2.23×10¹⁷、0.719)。未考慮補償(同時含有施體與受體)以及濃度超過 10¹⁹ cm⁻³ 時的不完全游離。

電阻率與摻雜濃度的公式

半導體的電導率是載子數量與移動難易度的乘積,可寫成 σ = q(nμn + pμp)。在 n 型中若摻雜完全游離,則 n ≈ ND,且少數載子的貢獻可忽略,因此電阻率為 ρ = 1/(q·ND·μn)。p 型同樣為 ρ = 1/(q·NA·μp)。不過遷移率 μ 本身會隨濃度改變,所以濃度與電阻率並不是單純的反比關係。本工具以 Caughey–Thomas 形式 μ(N) = μmin + (μmax − μmin)/(1 + (N/Nref)^α) 求遷移率;由電阻率求濃度時,則以數值方法對濃度求解此式。

前提條件與適用範圍

假設為溫度 300 K 的矽,只含一種摻雜物且全部游離,並忽略少數載子的貢獻。適用範圍大約為 10¹³~10¹⁹ cm⁻³。在同時含有施體與受體的補償晶體中,載子數量由淨濃度決定,但遷移率會受到兩者合計濃度的散射影響,因此電阻率會高於本工具的計算值。濃度超過 10¹⁹ cm⁻³ 時,不完全游離與能隙窄化的影響開始顯現,與依實測建立的換算表之間的偏差也會變大。

計算範例

以預設的 p 型、NA = 10¹⁵ cm⁻³ 為例,電洞遷移率約為 462 cm²/V·s,ρ = 1/(1.602×10⁻¹⁹ × 10¹⁵ × 462) ≈ 13.5 Ω·cm。相同濃度的 n 型,電子遷移率約為 1362 cm²/V·s,大約是電洞的 3 倍,因此 ρ ≈ 4.58 Ω·cm。反過來,規格為「p 型 10 Ω·cm」的晶圓約為 1.36×10¹⁵ cm⁻³,「n 型 1 Ω·cm」約為 4.9×10¹⁵ cm⁻³。若將濃度提高 100 倍至 10¹⁷ cm⁻³,p 型電阻率約為 0.197 Ω·cm,並不會降到百分之一的 0.135 Ω·cm,這是因為摻雜物造成的庫侖散射使遷移率降至約 317 cm²/V·s。

使用的數值與出處類型

遷移率公式的係數是配合矽遷移率實測值的代表性擬合值,廣泛用於半導體元件的教科書與解說。基本電荷為 q = 1.602×10⁻¹⁹ C。實際晶圓一般以四點探針法等方法量測電阻率,再依 SEMI MF723(舊稱 ASTM F723)等換算標準轉換為濃度。請將本工具的結果作為參考值,需要精確數值時,請以換算標準或實測確認。

練習半導體物性題目

電子濃度為1×10¹⁶ cm⁻³、電子遷移率為1000 cm²/V·s的n型矽,其電阻率約為多少?(忽略電洞的貢獻,基本電荷1.6×10⁻¹⁹ C)

  1. A約0.06 Ω·cm
  2. B約0.6 Ω·cm
  3. C約60 Ω·cm
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正確答案:B. 約0.6 Ω·cm

電導率為 σ = qnμ = 1.6×10⁻¹⁹ × 1×10¹⁶ × 1000 = 1.6 S/cm,電阻率為其倒數 ρ ≈ 0.63 Ω·cm。「ρ ≈ 1/(qnμ)」是由晶圓電阻率估算摻雜濃度的基本式。實務上會使用包含遷移率濃度相依性的換算表(ASTM規格等),例如1~10 Ω·cm的p型晶圓相當於硼約10¹⁵~10¹⁶ cm⁻³。

關於矽晶圓的電阻率與所摻雜質濃度的關係,下列哪一項是正確的?

  1. A雜質濃度越高,電阻率越高
  2. B雜質濃度與電阻率無關
  3. C雜質濃度越高,電阻率越低
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正確答案:C. 雜質濃度越高,電阻率越低

摻入越多雜質,載子就越多,電阻率因而降低;基於這樣的關係,晶圓的電阻率會作為雜質濃度的參考而指定於規格中。例如p型1〜10 Ω·cm時,硼約為10¹⁵〜10¹⁶ cm⁻³,0.01 Ω·cm時約為10¹⁹ cm⁻³。濃度變高時,遷移率會因離子化雜質散射而下降,所以並非單純的反比關係,需使用ASTM等的換算表來轉換。

關於本質半導體電阻率的溫度相依性,下列何者正確?

  1. A溫度上升時電阻率下降
  2. B溫度上升時電阻率上升
  3. C電阻率不受溫度影響而維持固定
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正確答案:A. 溫度上升時電阻率下降

在本質半導體中,溫度上升時越過能隙被激發的載子呈指數增加,因此電阻率下降(負溫度係數)。金屬的載子數幾乎固定,晶格振動造成的散射增加,所以電阻率上升。利用此性質的元件就是熱敏電阻(NTC)。不過在摻雜雜質的矽中,常溫附近載子數幾乎固定,因此在某些範圍內反而會因遷移率下降而使電阻上升。

下列哪一項是用來以非接觸方式量測晶圓電阻率的方法?

  1. ASIMS
  2. BTEM觀察
  3. C利用渦電流的量測
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正確答案:C. 利用渦電流的量測

施加交流磁場時,晶圓內會產生渦電流,其大小會隨導電率(片電阻)而改變。以線圈偵測它,就能在不接觸晶圓的情況下量測電阻率。與以探針接觸的四探針法不同,這種方法不會損傷表面,也沒有汙染,因此用於晶圓的進料檢驗,以及金屬膜厚度的量測(由片電阻換算)等。還能進行映射(mapping),評估晶圓面內的分布。

常見問題

為什麼相同濃度下,n 型與 p 型的電阻率不同?

因為在矽中,電子遷移率約為電洞的 3 倍。低濃度時電子約為 1400 cm²/V·s、電洞約為 470 cm²/V·s,所以相同濃度下,n 型的電阻率約為 p 型的三分之一。

要讓電阻率變成 10 倍,把濃度降為十分之一就可以嗎?

在 10¹⁵ cm⁻³ 以下的低濃度,遷移率幾乎固定,大約降為十分之一即可。高濃度時,降低濃度會使遷移率上升,電阻率的增加因而變緩,所以濃度必須降得比十分之一更多。請在圖表上確認斜率的變化。

可以用來由實際晶圓的電阻率求出濃度嗎?

可以作為參考。但若有施體與受體同時存在的補償,或 CZ 矽在 450 °C 附近熱處理時產生的熱施體,電阻率與濃度的關係就會改變。精確數值請以換算標準或 SIMS 等濃度量測確認。

相關術語

遷移率 施體 受體 四點探針法 本質載子濃度 熱施體

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