A szilícium félfémnek minősül, és elektromos viselkedése a szigetelő és a vezető között helyezkedik el, nem pedig a szélsőségekben. Ez az álláspont az oka annak, hogy a kohászati áru az egész félvezető- és fotovoltaikus ipar alapja. A kohóból szállított szilícium fém önmagában nem jó vezető; hasznossága abból adódik, hogy vezetőképessége szabályozott adalékolással sok nagyságrenddel módosítható, és az anyag folyamatosan működik olyan hőmérsékleten, ahol a fémek tönkremennek.
Belső viselkedés: Sávköz és ellenállás
Szobahőmérsékleten a tiszta szilícium sávszélessége körülbelül 1,12 elektronvolt, ami elég széles ahhoz, hogy gerjesztés hiányában szinte egyetlen elektron sem foglalja el a vezetési sávot. Az eredmény 25 Celsius-fokon nagyjából 2,3 x 10^5 ohm{5}}centiméter belső ellenállás, amely mintegy húsz nagyságrenddel nagyobb, mint a rézé. A belső hordozókoncentráció ennek megfelelően alacsony, 10^10 hordozó/köbcentiméter. A szilícium tehát tiszta állapotában rossz vezető, és a vezetőképességével kapcsolatos vitákban meg kell határozni az adalékolási szintet.
| Ingatlan | Értéke 300 K |
|---|---|
| Sávköz | 1,12 eV |
| Belső ellenállás | Körülbelül 2,3 x 10^5 ohm{3}}cm |
| Elektronok mobilitása | Kb. 1400 cm2/Vs |
| Lyuk mobilitása | Kb. 450 cm2/Vs |
| Hővezetőképesség | Körülbelül 148 W/(mK) |
| Olvadáspont | 1414 Celsius-fok |
A dopping a szilíciumot működő vezetővé varázsolja
A III. vagy V. csoport elemeinek hozzáadása teljesen megváltoztatja a képet. A foszfor vagy arzén öt vegyértékelektronnal szabad elektronokat ad, és n- típusú anyagot termel; a bór három vegyértékelektronnal lyukakat hoz létre, és p- típusú anyagot termel. Az ellenállás gyorsan csökken az adalékanyag koncentrációjával: egy enyhén adalékolt lapka az ohm{4}}centiméteres tartományba kerülhet, míg az erősen adalékolt érintkezési terület milliohm-centiméteres tartományra csökkenthető ugyanabban az anyagdarabban. Mivel az ellenállást közvetlenül az ostyákon mérik, az ASTM F84 szabvány szerint szabványosított-négypontos{8}}pontos szonda módszer a rutinszerű műhely{10}}padlóellenőrzés az ostyagyártásban. Ez a hangolhatóság - nem nyers vezetőképesség - teszi a szilíciumot a tranzisztorok, diódák és integrált áramkörök alapanyagává.
Hőmérsékleti viselkedés és termikus stabilitás
A szilícium a fémekkel ellentétes módon viselkedik a hőmérséklet emelkedésével. Egy fémben a rácsos rezgések magasabb hőmérsékleten hatékonyabban szórják a hordozót, így az ellenállás megnő. A szilíciumban a megnövekedett hőenergia több hordozót hoz létre a sávrésen, és a hordozónövekedés meghaladja a mobilitási veszteséget, így a vezetőképesség nő a hőmérséklettel. A szilícium 1414 Celsius-fokon is megolvad, ami jóval meghaladja az alumínium- vagy rézvezetők működési tartományát, és megőrzi hasznos félvezető viselkedését széles hőmérsékleti sávban. Ez a kombináció az oka annak, hogy a szilícium-eszközöket és a szilícium{6}}tartalmú ötvözeteket a magas hőmérsékletű elektronikai, a motor- és a teljesítmény
Ahol a szilícium vezetőképessége a legfontosabb
A fotovoltaik a legnagyobb közvetlen alkalmazás: a szilícium elnyeli a fényt a napspektrumon keresztül, és az ap{0}}n átmenet belső tere elválasztja a keletkezett hordozókat, és a fotonokat árammá alakítja. Az elektronika ugyanazt az adalékolt anyagot használja tranzisztorokban, diódákban és integrált áramkörökben. Az energiatárolás során a lítium-ion cellákban lévő szilícium anódok elméletileg sokkal nagyobb kapacitást kínálnak, mint a grafit, és bár a térfogatváltozás kezeléséhez keverni kell őket, az anódon áthaladó elektromos út teszi használhatóvá az erősítést. Az ötvözet oldalán az alumíniummal vagy rézzel ötvözött szilícium javítja mind az elektromos, mind a hőátvitelt a motoröntvényekben, az akkumulátorházakban és a hűtőbordákban, mivel a szilícium fázis együttesen megváltoztatja a hőtágulást és a vezetőképességet.
A kohászati szilíciumtól az eszközminőségű-anyagig
Ezen alkalmazások egyike sem fogyaszt közvetlenül kohó{0}}minőségű szilíciumot. A GB/T 2881-2014-ben meghatározott kohászati szilícium a triklór-szilán alapanyaga, amelyet megtisztítanak és poliszilíciumként helyeznek el; Az elektronikus -minőségű poliszilíciumot a GB/T 12963-2014, a szoláris minőségű poliszilíciumot pedig a GB/T 25074 írja elő. A kohászati alapanyagban lévő vas, alumínium és kalcium nyoma határozza meg, hogy a vegyi útnak mekkora tisztítási munkát kell végeznie, ezért a kohó minőségének kiválasztása több lépésben közvetlen költségkövetkezményekkel jár. A fotovoltaikus vagy elektronikus lánchoz használt szilíciumfém vásárlóinak a minőségi kódot inkább folyamatbemeneti specifikációként kell kezelniük, nem pedig árkategóriaként.
Gyakran Ismételt Kérdések
Q:A szilícium fém jó elektromos vezető?
V: Nem. A belső szilícium ellenállása körülbelül 2,3 x 10^5 ohm-cm 25 Celsius-fokon, nagyjából húsz nagyságrenddel nagyobb, mint a rézé. Csak doppingolás után válik hasznosan vezetővé.
Q:Hogyan változtatja meg a vezetőképességet az adalékolás?
V: A foszfor vagy az arzén n- típusú anyagot hoz létre szabad elektronokkal, a bór pedig p- típusú anyagot lyukakkal. Az ellenállás az enyhén adalékolt anyagok ohm-centiméteres tartományától a milliohm-centiméteres tartományig esik magas adalékanyag-szinteknél.
Q:Miért vezet jobban a szilícium melegen?
V: A hőenergia gyorsabban segíti elő a hordozókat az 1,12 eV-os sávközön, mint a rácsszóródás csökkenti a mobilitásukat, így a vezetőképesség nő a hőmérséklettel, ami a fémek ellentéte.
Q:Mi a hőmérséklet felső határa?
V: A szilícium 1414 Celsius-fokon megolvad, és jóval ez alatt a pont alatt megtartja hasznos félvezető viselkedését, ezért a magas hőmérsékletű elektronikához és tápmodulokhoz választották.
Q:Hogyan mérik az ellenállást a gyártás során?
V: Az ASTM F84 szabvány szerint szabványosított-négyes{1}}pontos szondamódszerrel, amelyet közvetlenül a lapkákra alkalmaznak anélkül, hogy károsítanák őket.
Q:Használható-e közvetlenül a napelemekben a kohó{0}}minőségű szilícium?
V: Nem. A GB/T 2881-2014 szabványnak megfelelő kohászati szilíciumot triklór-szilánon keresztül poliszilíciummá alakítják; Az elektronikus-minőségű anyagokra a GB/T 12963-2014, a napenergiás minőségű anyagokra pedig a GB/T 25074 szabvány vonatkozik.